一种均匀电磁力场生成装置及方法
一种均匀电磁力场生成装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁液混浮空间微重力的地面模拟技术领域，涉及一种均匀电磁力场生成装置及方法。
【背景技术】
[0002]磁悬浮广泛应用于地面微重力效应模拟实验，当物体所受的电磁力与物体自身重力大小相等方向相反时，即可模拟空间失重效应，其中电磁力主要是利用超导磁悬浮或者电磁悬浮产生的。这种地面微重力模拟主要应用于生命科学研宄、蛋白质晶体生长、合金分子/难混合金制作、纳米磁性液体/流体特性研宄等。
[0003]关于磁悬浮系统的控制及其相应的耦合性有过很多的研宄，但对于分布式电磁系统的时延和时变性没有深入研宄，并且对用于阵列式空间微重力模拟的实时精确配平的电磁悬浮系统控制方法没有深入研宄。本发明很好的解决了这些问题，实现了电磁悬浮系统在时延和时存在变条件下对悬浮体的实时精确配平，实现了运动体在特定实验空间内任意一点的微重力效应模拟。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于实现大范围空间分布式电磁系统产生均匀力场的装置，提供一种均匀电磁力场生成方法，该方法通过具体的控制策略，实现给定实验空间内电磁力的恒定，以满足空间微重力效应地面模拟的要求。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]一种均匀电磁力场生成装置，包括运动体、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁；控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁相连，阵列式电磁铁上放置有水箱，运动体置于水箱内，阵列式电磁铁通电后在其上方形成电磁力场，水箱内的运动体处于阵列式电磁铁上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁所产生的电磁场和运动体上所受的电磁力，使运动体悬浮于水箱的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。
[0007]所述阵列式电磁铁采用多个励磁线圈单元构成26X26阵列式电磁铁，多个励磁线圈单元布设于水平面内，每个励磁线圈单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面。
[0008]所述励磁线圈的形状采用避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性的方形。
[0009]所述位置测量系统通过232通信方式将测得的运动体位置信号传输给控制计算机。
[0010]所述控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给开关控制柜，将电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。
[0011]所述运动体采用形状符合实验目的圆柱形永磁体。
[0012]一种均匀电磁力场生成方法，包括以下步骤:
[0013]步骤1:利用水的浮力克服运动体的重力对运动体进行粗配平，粗配平后浮力和重力差为aQN，即F浮-mg = aQN，其中，m为运动体质量，单位为千克，g为重力加速度，aQ为常数，则空间微重力地面模拟实验需求整个实验空间内的电磁力等于aQN ;
[0014]步骤2:根据电磁力的作用范围结合实验需求确定实验空间内的标定区间以及需要标定的点，确定标定精度；建立xyz三维坐标系，X方向和I方向每隔0.05m标定一点，z方向每隔1mm标定一个点；水平运动区间为1.3mX 1.3m，竖直运动区间为0.3m ；
[0015]步骤3:给定水平位置信号和竖直高度信号，标定该点过程中不再改变电磁阵列工作单元组，使电磁力等于％Ν，在实验环境中实现该点的定点悬浮，满足微重力水平；
[0016]步骤4:采用位置测量系统测得运动体当前三维位置信号坐标，将坐标信号通过反馈信号通路发送到控制计算机；
[0017]步骤5:控制计算机接受三维位置信号，根据水平位置信号X坐标和y坐标确定电磁阵列工作单元组几何中心对应运动体几何中心的12X12的电磁阵列工作单元组，发出开关控制信号；同时，控制计算机根据竖直位置信号z坐标确定电压控制信号；确定电压控制信号；
[0018]步骤6:开关控制柜接收控制计算机发出的开关控制信号，控制相应继电器开关动作；同时，电源接受控制计算机发出的电压控制信号，产生相应大小的电流给电磁阵列工作单元组；
[0019]步骤7:根据开关控制柜的切换开关信号，相应的12X12电磁阵列工作单元组位于接通状态，接收电源提供的电流，产生电磁力；
[0020]步骤8:电磁力作用于运动体，改变运动体的三维位置，重复步骤4至步骤8，直到运动体在所标定的点实现稳定定点悬浮；
[0021 ] 步骤9:更换标定点位置，重复步骤3至步骤8，在标定区间的所有标定点处实现稳定定点悬浮，进而实现整个区间内的均匀电磁力。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0023]本发明将永磁铁置于运动体下，配合下方励磁单元产生悬浮力，下方励磁单元由线圈组缠绕在电磁铁铁心构成。励磁单元采用阵列式排列法构成电磁阵产生均匀磁场，交直流电源控制柜通过改变电流大小来控制磁场强度。
[0024]进一步的，本发明永磁铁的形状使用符合实验目的圆柱形(与运动体底面同形状)，面积大小要求永磁铁满足后期仿真要求，电磁阵由励磁单元阵列组合，励磁单元由线圈缠绕铁心组合而成，为了避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性，线圈形状选择方形。
[0025]本发明建立出轴向力恒定的阵列式均匀磁场，通过该方法建立的磁场能够满足米级范围内实验空间内同一高度的轴向电磁力大小变化不超过I %，水平电磁力趋近于零。通过实验，本发明所采用的控制方法可以达到如下实验效果(实验实测结果):在重力粗配平达到99%的条件下，可以实现I X lO^m/s2 ( S卩I X I(T4g)的微重力效应模拟水平。
[0026]本发明的均匀电磁力场生成方法，产生磁场的主要部件为永磁铁和电磁线圈阵，电磁阵列对悬浮体通过吸引力作用。为了保证运动体在可运动范围边缘依旧可以获得恒定轴向电磁力，要求电磁阵排列时覆盖可运动范围之外还增加20 %的面积，这样便得到静态悬浮的磁场。
[0027]进一步的，本发明工作区域为12X12分布的励磁线圈。电磁阵覆盖区域为26X 26分布的励磁线圈，实验中，只有工作区域线圈通电，其它线圈没有电流。悬浮体的重力浮力差恒定，通过改变电流大小来控制电磁力使得不同高度下悬浮体所受电磁力相等，利用红外跟踪装置可确定实验物体的高度，从而求出所需电磁力大小进而求得电流大小，通过交直流电源控制柜给出所需电流，即可实现不同高度下恒定的电磁力。
【附图说明】
[0028]图1为本发明中阵列式电磁一永磁控制系统硬件框图；
[0029]图2为本发明电磁阵列工作单元控制原理框图；
[0030]图3为本发明中阵列式电磁一永磁悬浮系统模型示意图；
[0031]图4为本发明中标定电流控制信号数据表算法结构图；
[0032]图5为本发明中定点悬浮控制效果图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0034]参见图1，本发明均匀电磁力场生成装置，包括运动体2、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁I ;控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁I相连，阵列式电磁铁I上放置有水箱3，运动体2置于水箱3内，阵列式电磁铁I通电后在其上方形成电磁力场，水箱3内的运动体2处于阵列式电磁铁I上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁I所产生的电磁场和运动体2上所受的电磁力，使运动体2悬浮于水箱3的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。
[0035]本发明底部是一组26X26的电磁阵列，通过控制开通状态下电磁线圈中的电流大小，可以调节电磁铁与悬浮运动体之间的磁力，从而控制运动体的运动。通过控制其在水中各个高度的稳定，得到相应的标定电流，这个电流能在满足实验精度情况下补偿配平后运动体所受浮力与重力的力差，从而实现空间微重力的地面模拟。
[0036]本发明均匀电磁力场生成方法，包括以下步骤:
[0037]运动体在电磁力、重力、浮力等的作用下，稳定在设定的坐标位置；通过位置检测系统测量运动体的位置，给出运动体的三维坐标位置；控制计算机接收运动体的水平位置信号，确定阵列式电磁铁的工作区域，并根据运动体的轴向位置信号，通过相应的控制算法计算出电源的控制信号的大小；控制开关柜根据电磁线圈工作区域切换的控制信号，控制相应接触器开关的通断，使磁场工作区域跟踪运动体的运动；电源根据控制器运算的控制信号大小，输出对应的电流；电源输出的电流输入电磁铁，电磁铁在电流的作用下产生磁场，该磁场与运动体中的永磁铁相互作用，产生电磁力，补偿运动体所受浮力与重力的力差。
[0038]本发明利用多个励磁线圈单元形成了励磁线圈阵，紧密布设于水平面内，每个单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面；多极耦合磁场提供的电磁力，满足同高度无控状态下任意点轴向(与重力平行的方向)电磁力相同，水平电磁力基本为零；本发明采用的是液磁混合悬浮法，利用液体对处于其中的物体产生的浮力克服物体的大部分重力，剩余非常小部分的重力通过电磁力微调克服，以实现微重力效应的模拟；位置检测系统测得运动体的三维坐标和速度信号，采用232通信方式，将位置检测系统测得的运动体位置信号传输给控制计算机；控 制计算机通过控制器，根据水平位置信号给出阵列式电磁铁工作区域控制信号，根据轴向位置信号给出电源控制信号大小；控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给继电控制开关，电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源；电源根据接收到的信号的大小，通过改变电压来改变电磁力。
[0039]本发明通过阵列式电磁铁I产生多极耦合磁场的恒定电磁力，实现空间微重力效应的地面模拟。结合图2所示的控制系统的整体控制框图，具体步骤如下:
[0040]I)实现运动体在实验空间中轴向定点悬浮的控制。具体地，实现空间微重力效应的地面模拟，则要保证运动体在实验空间的任一点均是微重力效应状态，由于在同一高度的水平方向移动时可以切换工作单元组，并且能够保证每个工作单元组在相同电源控制信号下电流相同，所以控制方法的研宄只需在轴向满足实验条件的高度区间内各个高度上分别获得实现定点悬浮的电流，这样通过跟随水平位置信号切换工作单元组就能在整个实验空间中形成微重力环境。
[0041]步骤I)具体为:
[0042]1-1)由于分布式电磁系统工作过程中控制器的运算时间、D/A转换电路的输出时间、电流响应时间、磁场建立时间、位置检测等导致的延迟使得分布式电磁系统具有大的时延性，本发明采用Smith预估补偿，使控制单元的动作提前，弥补纯滞后对控制过程带来的不利影响。结合模型参考自适应控制，降低模型精度对控制方法的影响，充分发挥Smith预估补偿控制方法的优点以消除分布式电磁系统由滞后引起的时延。
[0043]1-2)除了具有强滞后性，分布式电磁系统还具有时变性，选用模型参考自适应的控制方法来调整控制器参数，自动调整控制器的参数以适应环境的变化，使得分布式电磁系统的控制更加稳定。由于分布式电磁系统的时变性和模型自身精度限制，在Smith预估补偿、模型参考自适应控制的基础上引入模糊PID控制。模糊PID控制不仅可以减小时变性的影响，对改善时延性也有很大作用，并且对分布式电磁系统的耦合性也起到良好作用。
[0044]通过对上述控制方法的理论分析和实际测验比较，最终采用Smith预估补偿、模糊PID、模型参考自适应控制相结合的控制方法，实现运动体在实验空间中轴向定点悬浮的控制。
[0045]2)实现运动体在实验空间中水平运动的控制。电磁铁单元阵为26 X 26阵列，工作单元组为12X12阵列，要求提供电磁力不小于10N。实施过程中保证两点:(1)工作单元组中心实时根据运动体位置信号切换，保持工作单元组中心在运动体轴向中心线上，水平电磁力基本为零；(2)每个工作单元组的电源控制信号相等，保证同一高度下，运动体所受轴向电磁力相同。
[0046]在此实施例中，结合图3所示混合悬浮系统模型，步骤2)具体为:
[0047]2-1)水平运动控制的设计。根据混合悬浮系统的特点，悬浮体在一定高度从相对于底部12 X 12工作单元组的中心位置水平运动，移动距离不超过30mm时，保持底部12 X 12工作单元组的工作状态不变，移动过程中悬浮永磁体的水平电磁受力基本为零，垂直方向的电磁力变化率基本不超过1%。当水平移动距离继续增加时，则开始切换底部12 X 12工作单元组的位置，使工作部分整体也随着悬浮永磁体的运动方向移动50mm( —个电磁铁单兀的长度)。
[0048]2-2)电磁阵列工作单元组切换的具体方法:计算26X26的电磁阵列中每个12X12的工作单元组中心对应的实验空间水平位置坐标，位置检测系统将坐标信号传输给控制计算机的水平位置信号，计算出控制继电开关通断的I/O控制信号，通过“D/Ο模块”控制继电开关，使相应的12X12工作单元组处于开通状态。
[0049]3)实现微重力地面模拟实时精确配平的复合控制。通过步骤I)轴向定点悬浮控制的实现，对微重力模拟实验空间内各个高度的定点悬浮实现时的电磁线圈电流，制成微重力模拟实验空间内的标定电流控制信号数据表。运动体在微重力模拟实验空间内三维运动时，控制器通过数据通讯接受运动体的三维坐标信号，通过控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给继电控制开关，电源控制信号，从标定电流控制信号数据表中提取对应高度的电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。
[0050]本发明在期望悬浮高度为770mm(即轴向高度为770mm)，工作单元组为电磁阵列中心的12 X 12单元组时，采用PID控制方法所得到的控制效果如图4所示。在高度为770mm的定点悬浮实现时垂直方向加速度随时间变化情况如图5所示。
[0051]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种均匀电磁力场生成装置，其特征在于:包括运动体(2)、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁(I);控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁(I)相连，阵列式电磁铁(I)上放置有水箱(3)，运动体⑵置于水箱(3)内，阵列式电磁铁(I)通电后在其上方形成电磁力场，水箱⑶内的运动体⑵处于阵列式电磁铁(I)上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁(I)所产生的电磁场和运动体(2)上所受的电磁力，使运动体(2)悬浮于水箱(3)的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。2.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述阵列式电磁铁采用多个励磁线圈单元构成26X26阵列式电磁铁，多个励磁线圈单元布设于水平面内，每个励磁线圈单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面。3.根据权利要求2所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述励磁线圈的形状采用避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性的方形。4.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述位置测量系统通过232通信方式将测得的运动体位置信号传输给控制计算机。5.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给开关控制柜，将电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。6.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述运动体采用形状符合实验目的圆柱形永磁体。7.一种采用权利要求1-6任意一项所述装置的均匀电磁力场生成方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:利用水的浮力克服运动体的重力对运动体进行粗配平，粗配平后浮力和重力差为aj，即F浮-mg = a#，其中，m为运动体质量，单位为千克，g为重力加速度，Btl为常数，则空间微重力地面模拟实验需求整个实验空间内的电磁力等于aQN ; 步骤2:根据电磁力的作用范围结合实验需求确定实验空间内的标定区间以及需要标定的点，确定标定精度；建立xyz三维坐标系，X方向和I方向每隔0.05m标定一点，z方向每隔1mm标定一个点；水平运动区间为1.3mX 1.3m，竖直运动区间为0.3m ； 步骤3:给定水平位置信号和竖直高度信号，标定该点过程中不再改变电磁阵列工作单元组，使电磁力等于％Ν，在实验环境中实现该点的定点悬浮，满足微重力水平； 步骤4:采用位置测量系统测得运动体当前三维位置信号坐标，将坐标信号通过反馈信号通路发送到控制计算机； 步骤5:控制计算机接受三维位置信号，根据水平位置信号X坐标和y坐标确定电磁阵列工作单元组几何中心对应运动体几何中心的12X12的电磁阵列工作单元组，发出开关控制信号；同时，控制计算机根据竖直位置信号z坐标确定电压控制信号；确定电压控制信号; 步骤6:开关控制柜接收控制计算机发出的开关控制信号，控制相应继电器开关动作；同时，电源接受控制计算机发出的电压控制信号，产生相应大小的电流给电磁阵列工作单元组； 步骤7:根据开关控制柜的切换开关信号，相应的12X12电磁阵列工作单元组位于接通状态，接收电源提供的电流，产生电磁力； 步骤8:电磁力作用于运动体，改变运动体的三维位置，重复步骤4至步骤8，直到运动体在所标定的点实现稳定定点悬浮； 步骤9:更换标定点位置，重复步骤3至步骤8，在标定区间的所有标定点处实现稳定定点悬浮，进而实现整个区间内的均匀电磁力。
【专利摘要】本发明公开了一种均匀电磁力场生成装置及方法，用于空间微重力地面模拟实验。本发明使用常导液磁混合悬浮，并采用多点支撑，设计励磁线圈和永磁体的结构和布设方式，产生多极耦合电磁场，用于在实验空间内提供所需的电磁力，满足同高度无控状态下任意点轴向电磁力相同，水平电磁力基本为零，同时空间内不同高度的电磁力大小通过主动控到系统可达到要求的恒定值。本发明可实现在给定的三维实验空间内，按要求对其中的运动体产生恒定电磁力，使运动体始终处于微重力模拟效应状态下。对于不同的试验目的和运动体，所需的恒定电磁力大小不同，可以通过该装置的主动控制系统对所需均匀力场的大小进行调控，以适应不同的空间微重力地面模拟实验要求。
【IPC分类】G05B19/04
【公开号】CN104898467
【申请号】CN201510141272
【发明人】袁建平, 汶涛, 明正峰, 朱战霞
【申请人】西北工业大学, 西安电子科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月27日
【技术领域】
[0001]本发明属于磁液混浮空间微重力的地面模拟技术领域，涉及一种均匀电磁力场生成装置及方法。
【背景技术】
[0002]磁悬浮广泛应用于地面微重力效应模拟实验，当物体所受的电磁力与物体自身重力大小相等方向相反时，即可模拟空间失重效应，其中电磁力主要是利用超导磁悬浮或者电磁悬浮产生的。这种地面微重力模拟主要应用于生命科学研宄、蛋白质晶体生长、合金分子/难混合金制作、纳米磁性液体/流体特性研宄等。
[0003]关于磁悬浮系统的控制及其相应的耦合性有过很多的研宄，但对于分布式电磁系统的时延和时变性没有深入研宄，并且对用于阵列式空间微重力模拟的实时精确配平的电磁悬浮系统控制方法没有深入研宄。本发明很好的解决了这些问题，实现了电磁悬浮系统在时延和时存在变条件下对悬浮体的实时精确配平，实现了运动体在特定实验空间内任意一点的微重力效应模拟。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于实现大范围空间分布式电磁系统产生均匀力场的装置，提供一种均匀电磁力场生成方法，该方法通过具体的控制策略，实现给定实验空间内电磁力的恒定，以满足空间微重力效应地面模拟的要求。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]一种均匀电磁力场生成装置，包括运动体、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁；控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁相连，阵列式电磁铁上放置有水箱，运动体置于水箱内，阵列式电磁铁通电后在其上方形成电磁力场，水箱内的运动体处于阵列式电磁铁上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁所产生的电磁场和运动体上所受的电磁力，使运动体悬浮于水箱的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。
[0007]所述阵列式电磁铁采用多个励磁线圈单元构成26X26阵列式电磁铁，多个励磁线圈单元布设于水平面内，每个励磁线圈单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面。
[0008]所述励磁线圈的形状采用避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性的方形。
[0009]所述位置测量系统通过232通信方式将测得的运动体位置信号传输给控制计算机。
[0010]所述控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给开关控制柜，将电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。
[0011]所述运动体采用形状符合实验目的圆柱形永磁体。
[0012]一种均匀电磁力场生成方法，包括以下步骤:
[0013]步骤1:利用水的浮力克服运动体的重力对运动体进行粗配平，粗配平后浮力和重力差为aQN，即F浮-mg = aQN，其中，m为运动体质量，单位为千克，g为重力加速度，aQ为常数，则空间微重力地面模拟实验需求整个实验空间内的电磁力等于aQN ;
[0014]步骤2:根据电磁力的作用范围结合实验需求确定实验空间内的标定区间以及需要标定的点，确定标定精度；建立xyz三维坐标系，X方向和I方向每隔0.05m标定一点，z方向每隔1mm标定一个点；水平运动区间为1.3mX 1.3m，竖直运动区间为0.3m ；
[0015]步骤3:给定水平位置信号和竖直高度信号，标定该点过程中不再改变电磁阵列工作单元组，使电磁力等于％Ν，在实验环境中实现该点的定点悬浮，满足微重力水平；
[0016]步骤4:采用位置测量系统测得运动体当前三维位置信号坐标，将坐标信号通过反馈信号通路发送到控制计算机；
[0017]步骤5:控制计算机接受三维位置信号，根据水平位置信号X坐标和y坐标确定电磁阵列工作单元组几何中心对应运动体几何中心的12X12的电磁阵列工作单元组，发出开关控制信号；同时，控制计算机根据竖直位置信号z坐标确定电压控制信号；确定电压控制信号；
[0018]步骤6:开关控制柜接收控制计算机发出的开关控制信号，控制相应继电器开关动作；同时，电源接受控制计算机发出的电压控制信号，产生相应大小的电流给电磁阵列工作单元组；
[0019]步骤7:根据开关控制柜的切换开关信号，相应的12X12电磁阵列工作单元组位于接通状态，接收电源提供的电流，产生电磁力；
[0020]步骤8:电磁力作用于运动体，改变运动体的三维位置，重复步骤4至步骤8，直到运动体在所标定的点实现稳定定点悬浮；
[0021 ] 步骤9:更换标定点位置，重复步骤3至步骤8，在标定区间的所有标定点处实现稳定定点悬浮，进而实现整个区间内的均匀电磁力。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0023]本发明将永磁铁置于运动体下，配合下方励磁单元产生悬浮力，下方励磁单元由线圈组缠绕在电磁铁铁心构成。励磁单元采用阵列式排列法构成电磁阵产生均匀磁场，交直流电源控制柜通过改变电流大小来控制磁场强度。
[0024]进一步的，本发明永磁铁的形状使用符合实验目的圆柱形(与运动体底面同形状)，面积大小要求永磁铁满足后期仿真要求，电磁阵由励磁单元阵列组合，励磁单元由线圈缠绕铁心组合而成，为了避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性，线圈形状选择方形。
[0025]本发明建立出轴向力恒定的阵列式均匀磁场，通过该方法建立的磁场能够满足米级范围内实验空间内同一高度的轴向电磁力大小变化不超过I %，水平电磁力趋近于零。通过实验，本发明所采用的控制方法可以达到如下实验效果(实验实测结果):在重力粗配平达到99%的条件下，可以实现I X lO^m/s2 ( S卩I X I(T4g)的微重力效应模拟水平。
[0026]本发明的均匀电磁力场生成方法，产生磁场的主要部件为永磁铁和电磁线圈阵，电磁阵列对悬浮体通过吸引力作用。为了保证运动体在可运动范围边缘依旧可以获得恒定轴向电磁力，要求电磁阵排列时覆盖可运动范围之外还增加20 %的面积，这样便得到静态悬浮的磁场。
[0027]进一步的，本发明工作区域为12X12分布的励磁线圈。电磁阵覆盖区域为26X 26分布的励磁线圈，实验中，只有工作区域线圈通电，其它线圈没有电流。悬浮体的重力浮力差恒定，通过改变电流大小来控制电磁力使得不同高度下悬浮体所受电磁力相等，利用红外跟踪装置可确定实验物体的高度，从而求出所需电磁力大小进而求得电流大小，通过交直流电源控制柜给出所需电流，即可实现不同高度下恒定的电磁力。
【附图说明】
[0028]图1为本发明中阵列式电磁一永磁控制系统硬件框图；
[0029]图2为本发明电磁阵列工作单元控制原理框图；
[0030]图3为本发明中阵列式电磁一永磁悬浮系统模型示意图；
[0031]图4为本发明中标定电流控制信号数据表算法结构图；
[0032]图5为本发明中定点悬浮控制效果图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0034]参见图1，本发明均匀电磁力场生成装置，包括运动体2、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁I ;控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁I相连，阵列式电磁铁I上放置有水箱3，运动体2置于水箱3内，阵列式电磁铁I通电后在其上方形成电磁力场，水箱3内的运动体2处于阵列式电磁铁I上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁I所产生的电磁场和运动体2上所受的电磁力，使运动体2悬浮于水箱3的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。
[0035]本发明底部是一组26X26的电磁阵列，通过控制开通状态下电磁线圈中的电流大小，可以调节电磁铁与悬浮运动体之间的磁力，从而控制运动体的运动。通过控制其在水中各个高度的稳定，得到相应的标定电流，这个电流能在满足实验精度情况下补偿配平后运动体所受浮力与重力的力差，从而实现空间微重力的地面模拟。
[0036]本发明均匀电磁力场生成方法，包括以下步骤:
[0037]运动体在电磁力、重力、浮力等的作用下，稳定在设定的坐标位置；通过位置检测系统测量运动体的位置，给出运动体的三维坐标位置；控制计算机接收运动体的水平位置信号，确定阵列式电磁铁的工作区域，并根据运动体的轴向位置信号，通过相应的控制算法计算出电源的控制信号的大小；控制开关柜根据电磁线圈工作区域切换的控制信号，控制相应接触器开关的通断，使磁场工作区域跟踪运动体的运动；电源根据控制器运算的控制信号大小，输出对应的电流；电源输出的电流输入电磁铁，电磁铁在电流的作用下产生磁场，该磁场与运动体中的永磁铁相互作用，产生电磁力，补偿运动体所受浮力与重力的力差。
[0038]本发明利用多个励磁线圈单元形成了励磁线圈阵，紧密布设于水平面内，每个单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面；多极耦合磁场提供的电磁力，满足同高度无控状态下任意点轴向(与重力平行的方向)电磁力相同，水平电磁力基本为零；本发明采用的是液磁混合悬浮法，利用液体对处于其中的物体产生的浮力克服物体的大部分重力，剩余非常小部分的重力通过电磁力微调克服，以实现微重力效应的模拟；位置检测系统测得运动体的三维坐标和速度信号，采用232通信方式，将位置检测系统测得的运动体位置信号传输给控制计算机；控 制计算机通过控制器，根据水平位置信号给出阵列式电磁铁工作区域控制信号，根据轴向位置信号给出电源控制信号大小；控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给继电控制开关，电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源；电源根据接收到的信号的大小，通过改变电压来改变电磁力。
[0039]本发明通过阵列式电磁铁I产生多极耦合磁场的恒定电磁力，实现空间微重力效应的地面模拟。结合图2所示的控制系统的整体控制框图，具体步骤如下:
[0040]I)实现运动体在实验空间中轴向定点悬浮的控制。具体地，实现空间微重力效应的地面模拟，则要保证运动体在实验空间的任一点均是微重力效应状态，由于在同一高度的水平方向移动时可以切换工作单元组，并且能够保证每个工作单元组在相同电源控制信号下电流相同，所以控制方法的研宄只需在轴向满足实验条件的高度区间内各个高度上分别获得实现定点悬浮的电流，这样通过跟随水平位置信号切换工作单元组就能在整个实验空间中形成微重力环境。
[0041]步骤I)具体为:
[0042]1-1)由于分布式电磁系统工作过程中控制器的运算时间、D/A转换电路的输出时间、电流响应时间、磁场建立时间、位置检测等导致的延迟使得分布式电磁系统具有大的时延性，本发明采用Smith预估补偿，使控制单元的动作提前，弥补纯滞后对控制过程带来的不利影响。结合模型参考自适应控制，降低模型精度对控制方法的影响，充分发挥Smith预估补偿控制方法的优点以消除分布式电磁系统由滞后引起的时延。
[0043]1-2)除了具有强滞后性，分布式电磁系统还具有时变性，选用模型参考自适应的控制方法来调整控制器参数，自动调整控制器的参数以适应环境的变化，使得分布式电磁系统的控制更加稳定。由于分布式电磁系统的时变性和模型自身精度限制，在Smith预估补偿、模型参考自适应控制的基础上引入模糊PID控制。模糊PID控制不仅可以减小时变性的影响，对改善时延性也有很大作用，并且对分布式电磁系统的耦合性也起到良好作用。
[0044]通过对上述控制方法的理论分析和实际测验比较，最终采用Smith预估补偿、模糊PID、模型参考自适应控制相结合的控制方法，实现运动体在实验空间中轴向定点悬浮的控制。
[0045]2)实现运动体在实验空间中水平运动的控制。电磁铁单元阵为26 X 26阵列，工作单元组为12X12阵列，要求提供电磁力不小于10N。实施过程中保证两点:(1)工作单元组中心实时根据运动体位置信号切换，保持工作单元组中心在运动体轴向中心线上，水平电磁力基本为零；(2)每个工作单元组的电源控制信号相等，保证同一高度下，运动体所受轴向电磁力相同。
[0046]在此实施例中，结合图3所示混合悬浮系统模型，步骤2)具体为:
[0047]2-1)水平运动控制的设计。根据混合悬浮系统的特点，悬浮体在一定高度从相对于底部12 X 12工作单元组的中心位置水平运动，移动距离不超过30mm时，保持底部12 X 12工作单元组的工作状态不变，移动过程中悬浮永磁体的水平电磁受力基本为零，垂直方向的电磁力变化率基本不超过1%。当水平移动距离继续增加时，则开始切换底部12 X 12工作单元组的位置，使工作部分整体也随着悬浮永磁体的运动方向移动50mm( —个电磁铁单兀的长度)。
[0048]2-2)电磁阵列工作单元组切换的具体方法:计算26X26的电磁阵列中每个12X12的工作单元组中心对应的实验空间水平位置坐标，位置检测系统将坐标信号传输给控制计算机的水平位置信号，计算出控制继电开关通断的I/O控制信号，通过“D/Ο模块”控制继电开关，使相应的12X12工作单元组处于开通状态。
[0049]3)实现微重力地面模拟实时精确配平的复合控制。通过步骤I)轴向定点悬浮控制的实现，对微重力模拟实验空间内各个高度的定点悬浮实现时的电磁线圈电流，制成微重力模拟实验空间内的标定电流控制信号数据表。运动体在微重力模拟实验空间内三维运动时，控制器通过数据通讯接受运动体的三维坐标信号，通过控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给继电控制开关，电源控制信号，从标定电流控制信号数据表中提取对应高度的电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。
[0050]本发明在期望悬浮高度为770mm(即轴向高度为770mm)，工作单元组为电磁阵列中心的12 X 12单元组时，采用PID控制方法所得到的控制效果如图4所示。在高度为770mm的定点悬浮实现时垂直方向加速度随时间变化情况如图5所示。
[0051]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种均匀电磁力场生成装置，其特征在于:包括运动体(2)、位置测量系统、控制计算机、开关控制柜、电源以及阵列式电磁铁(I);控制计算机通过开关控制柜以及电源与阵列式电磁铁(I)相连，阵列式电磁铁(I)上放置有水箱(3)，运动体⑵置于水箱(3)内，阵列式电磁铁(I)通电后在其上方形成电磁力场，水箱⑶内的运动体⑵处于阵列式电磁铁(I)上方所形成的电磁力场中，控制计算机通过控制电源来调控阵列式电磁铁(I)所产生的电磁场和运动体(2)上所受的电磁力，使运动体(2)悬浮于水箱(3)的水中；控制计算机通过位置测量系统实时测量运动体的位置信息。2.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述阵列式电磁铁采用多个励磁线圈单元构成26X26阵列式电磁铁，多个励磁线圈单元布设于水平面内，每个励磁线圈单元的轴线方向相互平行且垂直于水平面。3.根据权利要求2所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述励磁线圈的形状采用避免边缘效应并保证水平面磁场的均匀性和方向性的方形。4.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述位置测量系统通过232通信方式将测得的运动体位置信号传输给控制计算机。5.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述控制计算机将工作区域控制信号通过“D/Ο模块”传输给开关控制柜，将电流控制信号通过“D/A模块”传输给电源。6.根据权利要求1所述的均匀电磁力场生成装置，其特征在于:所述运动体采用形状符合实验目的圆柱形永磁体。7.一种采用权利要求1-6任意一项所述装置的均匀电磁力场生成方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:利用水的浮力克服运动体的重力对运动体进行粗配平，粗配平后浮力和重力差为aj，即F浮-mg = a#，其中，m为运动体质量，单位为千克，g为重力加速度，Btl为常数，则空间微重力地面模拟实验需求整个实验空间内的电磁力等于aQN ; 步骤2:根据电磁力的作用范围结合实验需求确定实验空间内的标定区间以及需要标定的点，确定标定精度；建立xyz三维坐标系，X方向和I方向每隔0.05m标定一点，z方向每隔1mm标定一个点；水平运动区间为1.3mX 1.3m，竖直运动区间为0.3m ； 步骤3:给定水平位置信号和竖直高度信号，标定该点过程中不再改变电磁阵列工作单元组，使电磁力等于％Ν，在实验环境中实现该点的定点悬浮，满足微重力水平； 步骤4:采用位置测量系统测得运动体当前三维位置信号坐标，将坐标信号通过反馈信号通路发送到控制计算机； 步骤5:控制计算机接受三维位置信号，根据水平位置信号X坐标和y坐标确定电磁阵列工作单元组几何中心对应运动体几何中心的12X12的电磁阵列工作单元组，发出开关控制信号；同时，控制计算机根据竖直位置信号z坐标确定电压控制信号；确定电压控制信号; 步骤6:开关控制柜接收控制计算机发出的开关控制信号，控制相应继电器开关动作；同时，电源接受控制计算机发出的电压控制信号，产生相应大小的电流给电磁阵列工作单元组； 步骤7:根据开关控制柜的切换开关信号，相应的12X12电磁阵列工作单元组位于接通状态，接收电源提供的电流，产生电磁力； 步骤8:电磁力作用于运动体，改变运动体的三维位置，重复步骤4至步骤8，直到运动体在所标定的点实现稳定定点悬浮； 步骤9:更换标定点位置，重复步骤3至步骤8，在标定区间的所有标定点处实现稳定定点悬浮，进而实现整个区间内的均匀电磁力。
【专利摘要】本发明公开了一种均匀电磁力场生成装置及方法，用于空间微重力地面模拟实验。本发明使用常导液磁混合悬浮，并采用多点支撑，设计励磁线圈和永磁体的结构和布设方式，产生多极耦合电磁场，用于在实验空间内提供所需的电磁力，满足同高度无控状态下任意点轴向电磁力相同，水平电磁力基本为零，同时空间内不同高度的电磁力大小通过主动控到系统可达到要求的恒定值。本发明可实现在给定的三维实验空间内，按要求对其中的运动体产生恒定电磁力，使运动体始终处于微重力模拟效应状态下。对于不同的试验目的和运动体，所需的恒定电磁力大小不同，可以通过该装置的主动控制系统对所需均匀力场的大小进行调控，以适应不同的空间微重力地面模拟实验要求。
【IPC分类】G05B19/04
【公开号】CN104898467
【申请号】CN201510141272
【发明人】袁建平, 汶涛, 明正峰, 朱战霞
【申请人】西北工业大学, 西安电子科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月27日
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