[發明專利]一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動方法與裝置

在審

• 申請號: 201911148546.0
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN110855186A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 陸永華;劉冠誠;梁立鵬;趙采儀;陳加徐
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學;南京航空航天大學無錫研究院
• 主分類號: H02N15/00
• 分類號: H02N15/00
• 代理公司: 上海宣宜專利代理事務所(普通合伙) 31288
• 代理人: 鄒蕾

1.一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動裝置，其特征在于：包括穩定放置的電磁驅動器定位支架(103)與條形支撐腳(101、102)；位于電磁驅動器定位支架(103)頂端與底端的兩個勵磁繞組電磁驅動器(104、105)；浮子(108)；設置于靠近浮子(108)端面的兩個電磁驅動器中心位置上的位置傳感器(106、107)；為電磁驅動器勵磁繞組提供電流的功率放大器(109、110)；檢測勵磁繞組電流值的電流傳感器(111、112)；控制功率放大器(109、110)、電流傳感器(111、112)、勵磁繞組、位置傳感器(106、107)的協調配合的控制器。

2.根據權利要求1所述的一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動裝置，其特征在于：所述浮子由釹鐵硼磁性材料和檢測、運輸、清理等功能的裝置制成。

3.根據權利要求1所述的一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動裝置，其特征在于：兩個所述勵磁繞組電磁驅動器(104,105)安裝位置相對于電磁驅動器定位支架(103)上下對稱，并且兩個電磁驅動器(104,105)的豎直軸線重合，并垂直于電磁驅動器定位支架(103)的支撐面，電磁驅動器定位支架(103)由兩個條形定位腳(101,102)進行支撐。

4.根據權利要求1所述的一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動裝置，其特征在于：所述位置傳感器(106,107)選用線性霍爾傳感器。

5.根據權利要求1所述的一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動裝置，其特征在于：所述浮子(108)的運動軌跡與電磁驅動器(104,105)豎直軸線重合，運動形式為單維度雙向的懸浮運動。

6.一種基于力失衡驅動的單維度懸浮運動方法，使用如權利要求1-5任意一項所述的基于力失衡驅動的單維度懸浮運動裝置，其特征在于：包括以下過程：

S1:控制器(113)、位置傳感器(106,107)與電流傳感器(111,112)上電，電磁驅動器(104,105)連接電源，將浮子(108)放入兩個電磁驅動器(104,105)中間停留片刻作為浮子懸浮的初始位置；

S2:兩個電磁驅動器(104,105)上的位置傳感器(106,107)檢測浮子(108)到兩個電磁驅動器(104,105)端面的位置信號，并將采集到的位置信號傳輸給控制器(113)，通過功率放大器(109,110)自動對兩個電磁驅動器(104,105)上勵磁繞組的電流大小和方向進行調節，改變浮子(108)周圍的磁場強度，浮子(108)受到的電磁吸引力抵消自身重力產生力失衡狀態，從而使浮子(108)懸浮在此初始位置；

S3:未施加反饋控制的磁懸浮系統為開環系統，系統提供給浮子的機械位移剛度為負值，系統不穩定，當浮子(108)的懸浮位置受到外界的擾動時由于受到的電磁力改變而使浮子(108)無法保持穩定的懸浮狀態；為保證浮子(108)穩定懸浮，通過電流傳感器(111,112)采集勵磁繞組上的電流信息并對控制器(113)進行反饋，結合PID控制算法自動調節電磁驅動器(104,105)勵磁繞組上的電流；電流的比例控制部分實際所提供的電磁力用于抵消原位移負剛度導致的負恢復力，并將磁懸浮系統調節為具有一定的正剛度，電流的積分控制使電流輸出量與系統的積分成正比，從而消除控制系統的穩態誤差，電流的微分控制部分相當于使系統具有足夠的正阻尼，使系統具有足夠的穩定性，從而使電流產生足夠的恢復力，使浮子(108)穩定懸浮在單維度上的目標位置，實現單維度上可控區域內任意位置的穩定懸浮；

S4:根據單維度上運動位移的控制需求設定，控制器(113)通過PID控制反饋調節自動調節功率放大器(109,110)的電流輸出，從而逐步改變電磁驅動器(104,105)上勵磁繞組的電流大小，改變浮子(108)周圍的磁場強度，進而改變電磁驅動器(104,105)對浮子(108)的吸力大小并逐步達到目標吸引力，由于浮子(108)重力不變，使得浮子(108)在允許的單步運動步長條件下在預定的目標位置平衡，實現浮子(108)在可控區域內的單維度雙向運動。