[發明專利]一種基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統及方法

在審

• 申請號: 202110996658.2
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113721482A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 徐逢秋;許賢澤;彭若桐
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

1.一種基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統，包括磁懸浮運動平臺，其特征在于：包括依次連接的控制模塊、電流-磁力轉換模塊、磁力解析模塊和運動反饋模塊；控制模塊用于根據運動誤差計算出磁懸浮運動平臺所需磁力；電流-磁力轉換模塊用于根據控制模塊輸出的磁力，逆模型求解磁力解析模塊所需的驅動電流；磁力解析模塊用于依據電流-磁力轉換模塊輸出的驅動電流，實時計算磁懸浮運動平臺所受磁力大小；運動反饋模塊用于根據磁力解析模塊輸出的磁力大小，實時更新磁懸浮運動平臺運動狀態，并反饋至控制模塊。

2.根據權利要求1所述基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統的測試方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：根據當前運動誤差，通過控制模塊實時計算磁懸浮運動平臺所需磁力和磁力矩；

步驟2：將控制模塊輸出的磁懸浮運動平臺所需磁力和磁力矩輸入到電流-磁力轉換模塊中，通過逆模型運算，計算出磁懸浮運動平臺所需驅動電流大小；

步驟3：根據電流-磁力轉換模塊求得驅動電流大小，磁力解析模塊實時計算磁懸浮平臺當前所受磁力及力矩大小；

步驟4：根據磁懸浮運動平臺所受磁力及力矩，利用積分器計算磁懸浮運動平臺實時位置，并將其反饋至控制模塊。

3.根據權利要求2所述基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統的測試方法，其特征在于：控制模塊采用PID控制算法。

4.根據權利要求3所述基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統的測試方法，其特征在于：步驟1的實現包括：

將磁懸浮平臺目標位置及實時位置輸入控制模塊，獲取在k時刻的位置誤差e(k)＝[e_x(k) e_y(k) e_z(k) e_α(k) e_β(k) e_γ(k)]^T，根據PID控制原理，k時刻運動所需磁力與磁力矩大小為：

其中，K_x,1、K_x,2、K_x,3為平移運動的PID參數，K_α,1、K_α,2、K_α,3、K_γ,1、K_γ,2、K_γ,3為旋轉運動的PID參數。

5.根據權利要求3所述基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統的測試方法，其特征在于：步驟2的實現包括：

通過實際測量，獲取與磁力和磁力矩、磁懸浮運動平臺與線圈相對位置以及線圈中驅動電流的數據，通過曲線擬合的方式，得到磁力、電流以及磁懸浮運動平臺與線圈相對位置這三個變量之間的數學關系式，通過該數學關系式實時解算線圈中驅動電流的大小：

I(k)為磁懸浮運動平臺在k時刻運動所需的驅動電流。

6.根據權利要求3所述基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統的測試方法，其特征在于：步驟3的實現包括：

步驟3.1、采用諧波模型，根據麥克斯韋方程組以及磁場邊界條件，對拉普拉斯方程進行求解，得到動子坐標系下磁懸浮運動平臺磁體陣列的磁場分布；

步驟3.2、利用空間坐標變換，將動子坐標系下磁懸浮運動平臺磁體陣列的磁感應強度轉化為定子坐標系下磁感應強度，坐標變換公式為：

通過坐標變換，空間磁場公式為：

其中，α、β、γ為磁懸浮運動平臺相對于定子平臺偏轉角，B₀為磁陣列剩余磁通量，n為諧波系數，H_m、W_m為磁體相關尺寸參數，

步驟3.3、通過洛倫茲積分，對磁懸浮運動平臺所受磁力大小進行計算，所得到的磁力表達式為：

其中，

7.根據權利要求3所述基于解析模型的磁懸浮運動實時仿真系統的測試方法，其特征在于：步驟4的實現包括：運動反饋模塊根據磁力解析模塊輸出磁力大小，實時更新磁懸浮平臺運動狀態，并將當前位置反饋至控制模塊，實現閉環仿真。