空間小磁體懸浮控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及空間磁場的控制方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種空間小磁體懸浮控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天事業(yè)的發(fā)展，模擬微重力環(huán)境下的空間懸浮技術(shù)已成為進(jìn)行相關(guān)高科技 研究的重要手段。目前的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸 浮、粒子束懸浮等，其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。
[0003] 目前常用的電磁懸浮技術(shù)的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生滿流，進(jìn) 而產(chǎn)生洛倫茲力來實(shí)現(xiàn)懸浮。將一個(gè)金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時(shí)，由于電磁 感應(yīng)現(xiàn)象，會在金屬表面產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流，并形成閉合回路即滿流，運(yùn)一高頻滿流使金屬 樣品在磁場中受到一個(gè)洛淪茲力的作用。通過合理設(shè)計(jì)懸浮線圈的結(jié)構(gòu)，可W使樣品上洛 倫茲力的合力方向與重力方向相反，再通過調(diào)節(jié)高頻電源的功率使電磁力與重力相等，即 可實(shí)現(xiàn)金屬樣品的懸浮。
[0004] 隨著電力電子技術(shù)、控制理論、信號處理器、新型電磁材料和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展， 電磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域和半導(dǎo)體生產(chǎn)、汽車工業(yè)、精密儀 器、儀表等工業(yè)領(lǐng)域。隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，電磁懸浮技術(shù)在高真空環(huán)境下對懸浮 狀態(tài)的物體進(jìn)行精確控制必將成為該領(lǐng)域中對物體位置、狀態(tài)及其變化量進(jìn)行測量和控制 的有效手段，在空間環(huán)境測量、測試等科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種空間小磁體懸浮控制方法，所述方法通過 控制線圈電流大小來實(shí)現(xiàn)對空間懸浮小磁體的姿態(tài)和位置進(jìn)行精確控制。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種空間小磁體懸浮控制方 法，其特征在于所述方法包括如下步驟：
[0007] 1)構(gòu)建小磁體懸浮控制系統(tǒng)，所述懸浮控制系統(tǒng)包括若干組位置控制線圈、若干 組姿態(tài)控制線圈和小磁體；
[000引2)通過改變位置控制線圈中通電電流的大小及方向，來改變小磁體在所述懸浮控 制系統(tǒng)中的位置，通過改變姿態(tài)控制線圈中通電電流的大小及方向，來改變小磁體的姿態(tài)。
[0009] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述的構(gòu)建小磁體懸浮控制系統(tǒng)的方法如下：
[0010] 小磁體懸浮控制系統(tǒng)腔體為長方體結(jié)構(gòu)，其中在腔體X方向的兩個(gè)相對面上安置 W面屯、為對稱中屯、的軸對稱的四對位置控制線圈，通過施加不同方向的電流及電流強(qiáng)度， 小磁體受到的平動電磁力在X，y，Z =個(gè)方向的分量都可獨(dú)立控制其大小和方向，從而實(shí)現(xiàn) 對小磁體位置的精確控制，將小磁體質(zhì)屯、始終控制在系統(tǒng)中屯、，也為全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)原 點(diǎn)；在y方向和Z方向各兩個(gè)面上安置嚴(yán)格軸對稱的兩對姿態(tài)控制線圈，通過改變姿態(tài)控制 線圈中通電電流的大小及方向，來實(shí)現(xiàn)對小磁體的姿態(tài)控制，將小磁體等效磁矩方向始終 控制在X方向。
[0011] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述的位置控制線圈的控制方法如下：
[0012] 設(shè)位置控制的四對通電線圈相應(yīng)的磁矩分別記為化、必2、麻,、廚,，M,,、 化.、^(?4.，其在小磁體位置區(qū)域產(chǎn)生磁場，由于線圈線度很小，可用磁偶極場來表 示，為了反映通電控制線圈磁矩的方向，磁矩分別記為厄,=聲吟J，i = l，2,3,4，l/ ，3^， 少，Mi為磁矩的大小，Si表示磁矩的方向；
[0013] 小磁體的磁矩記為M，下面計(jì)算通電位置控制線圈對小磁體的電磁作用力，W其 中第一對位置控制線圈來作一個(gè)分析，先計(jì)算府,對M的控制電磁力，設(shè)S為從M指向卸的 矢量，設(shè)妨中屯、所在位置坐標(biāo)為(x，y，z)，麻1相對中屯、所在位置的坐標(biāo)為(a，b，c)，則有
[0014] 5=(a-;c)r + (6 -;;)7 + (c-z)完 (1)
[0015] 其相互作用勢為
(2)
[0017]利用
(3)
[0019] W及
(4) (5) (6)
[0023]可得到作用于小磁體上的電磁力：
(7) (8) (9)
[0027]同理，對于歷,,對M的控制作用，由于嚴(yán)格軸對稱，麻中屯、所在位置坐標(biāo)為(-a，b， C)，相應(yīng)的= (-a-邱+(6-Wy+ (C-Z)完，與M的相互作用勢為
[0029] 可得 (10) (11) (12)
(13)
[0033] 由于X一0，y一0，Z一0，即只要小磁體中屯、偏離坐標(biāo)原點(diǎn)，就立即實(shí)施控制，使其回 到坐標(biāo)原點(diǎn)，另外第一對位置控制線圈（1,1/)嚴(yán)格軸對稱，且線圈大小、通電電流大小相 等，故有
[0034] ri = Ti',Mi=Mi' (14)
[0035] 可見只要控制Si和Si'的取值W及(a，b，c)的取值，就可實(shí)現(xiàn)第一對位置控制線圈 對小磁體電磁力=個(gè)方向分量的獨(dú)立控制。
[0036] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:1)對于第一對位置控制線圈，取Si = Si'=1或-l，c = 0;
[0037] 則有；
[003引 Fxi = -Fxi' ,Fyi = Fyi' ,Fzi=Fzi' =0 (15)
[0039] 即實(shí)現(xiàn)了 y方向分力的獨(dú)立控制；
[0040] 另外當(dāng)取81 = 1，81'=-1或81 = -1，81'=1，。= 0時(shí)
[0041] 則有；
[0042] Fxi = Fxi' ,Fyi = -Fyi' ,Fzi=Fzi' =0 (16)
[0043] 也可實(shí)現(xiàn)X方向分力的獨(dú)立控制；
[0044] 2)對于第二對位置控制線圈，取82 = ?' =1或-1，b = 0;
[0045] 則有；
[0046] Fxi = -Fxi',Fyi = Fyi'=0,Fzi=Fzi' (17)
[0047] 即實(shí)現(xiàn)了 Z方向分力的獨(dú)立控制；
[004引 另外當(dāng)取 82=1,82' =-1 或 82 = -1,齡=l，b = 0 時(shí)，
[0049] 則有；
[0050] Fxi = Fxi',Fyi = Fyi'=0,Fzi = -Fzi' (18)
[0051 ]也可實(shí)現(xiàn)X方向分力的獨(dú)立控制；
[0化2] 3)對于第S對位置控制線圈，取83=1,?' =-1或83 = -1, Sy =l，c = 0;
[0053] 則有；
[0054] Fxi = Fxi' ,Fyi = -Fyi' ,Fzi=Fzi' =0 (19)
[0055] 即實(shí)現(xiàn)了X方向分力的獨(dú)立控制，同樣地，第=對位置控制線圈也可W實(shí)現(xiàn)y方向 的獨(dú)立控制；
[0056] 4)對于第四對位置控制線圈，也與前面S組線圈作用類似，控制小磁體在x，y，zS 個(gè)方向上運(yùn)動，只需要水平和垂直方向各一組線圈就足夠，如果需要同時(shí)控制X，y，Z立個(gè)方 向的平動，則需要=組控制線圈，第四對位置控制線圈作為冗余線圈，當(dāng)其它=組控制線圈 之一出現(xiàn)問題時(shí)，可由其代替實(shí)現(xiàn)相應(yīng)分力的獨(dú)立控制。
[0057] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:姿態(tài)控制線圈的控制方法如下：
[0化引兩對姿態(tài)控制線圈實(shí)現(xiàn)對小磁體姿態(tài)的控制，相應(yīng)的磁矩分別記為后，、 府6、化.、厄6,，兩對姿態(tài)控制線圈在小磁體區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為馬、馬，兩對線 圈中屯、與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為1，由于每對線圈的大小和通電電流方向、大小完全相同，有 馬=化.、成=成；
[0059] 1)如果小磁體磁矩偏離X方向，則小磁體磁矩將受到第一對姿態(tài)控制線圈磁場對 它的力矩巧作用，有
[0060] 巧=Mx馬 （20)
[0061] 由于第一對姿態(tài)控制線圈的線度相比小磁體所在區(qū)域較大，故其在小磁體區(qū)域產(chǎn) 生的磁場近似為均勻磁場，磁場方向?yàn)閥方向，根據(jù)磁偶極場的計(jì)算公式，有
(21)
[0063]則相應(yīng)的力矩大小為：
(22)
[00化]力矩方向垂直于厲和馬構(gòu)成的平面，很顯然在此力矩的作用下，麻將在XY平面內(nèi) 由y方向轉(zhuǎn)向X方向；
[0066] 2)第二對姿態(tài)控制線圈對小磁體磁矩的控制與第一對姿態(tài)控制線圈(對小磁體磁 矩的控制是類似的，在力矩用下，M將在XZ平面內(nèi)由Z方向轉(zhuǎn)向X方向，相應(yīng)的有：
(23)
[0068] 綜合W上兩對線圈的作用，可將小磁體磁矩方向始終控制在X方向保持不變。
[0069] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述小磁體為楠圓形、圓柱形或球形。
[0070] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述小磁體選用永磁體材料制作。
[0071] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:所述檢測磁體的外側(cè)包裹有非磁性材料。
[0072] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:所述方法通過構(gòu)建小磁體懸浮控制系 統(tǒng)對小磁體進(jìn)行懸浮控制，該控制系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分是由安置于控制區(qū)域兩個(gè) 對稱面的四組呈菱方形軸對稱分布的位置控制線圈構(gòu)成，另一部分是由安置于控制區(qū)域另 外四個(gè)面上的兩組面屯、上的姿態(tài)控制線圈組成，當(dāng)系統(tǒng)中屯、處小磁體發(fā)生位移時(shí)，通過多 個(gè)姿態(tài)控制線圈和位置控制線圈的相互作用，調(diào)控線圈的電流大小及方向，分別在小磁體 區(qū)域處產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場和梯度磁場，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動力矩的施加和平動力的施加，實(shí)現(xiàn)對小磁 體的姿態(tài)控制和位置控制。
【附圖說明】
[0073] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0074] 圖1-3是磁偶極子在磁場中受到的作用力分析示意圖；
[0075] 圖4是小磁體懸浮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
[0076] 圖5是第一組姿態(tài)控制線圈對小磁體施加力矩示意圖；
[0077]圖6是第二組姿態(tài)控制線圈對小磁體施加力矩示意圖；