專利名稱：?jiǎn)屋S磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用磁浮原理的物理仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)，尤其涉 及一種采用單軸結(jié)構(gòu)的全物理仿真磁浮實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)，屬于測(cè)試設(shè)備技術(shù) 領(lǐng)域。
技術(shù)背景科學(xué)研究通常有三種途徑理論推導(dǎo)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和仿真模擬。各 種仿真技術(shù)的應(yīng)用在科學(xué)研究中發(fā)揮著不可或缺的作用。特別是在控 制技術(shù)研究領(lǐng)域，采用各種仿真技術(shù)是進(jìn)行理論研究與工程實(shí)踐的重 要手段。目前，仿真技術(shù)主要分為兩類計(jì)算機(jī)仿真和物理仿真。計(jì)算機(jī) 仿真實(shí)質(zhì)上是數(shù)學(xué)仿真，它首先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并將數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)化為仿真計(jì)算模型，通過仿真模型的運(yùn)行達(dá)到仿真系統(tǒng)運(yùn)行的目 的。計(jì)算機(jī)仿真主要用于進(jìn)行控制方法的研究，但其無法驗(yàn)證實(shí)際系 統(tǒng)的技術(shù)可行性，更不能對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的初樣和正樣進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn) 收。因此，物理仿真也是必不可少的。物理仿真也稱實(shí)體仿真，是指 根據(jù)物理模型，直接制造實(shí)物來模擬原事物在某些條件下的響應(yīng)。物 理仿真主要用于控制系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證。物理仿真分為全物理仿真和半物理仿真兩種。半物理仿真是指采 用部分物理模型和部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的仿真，主要用于運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬或部分 控制部件測(cè)試驗(yàn)證。全物理仿真是指全部采用物理模型的仿真，它可 以確保仿真對(duì)象對(duì)包括動(dòng)力學(xué)、敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器及控制方 案在內(nèi)的整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行理論方法研究、系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證。當(dāng)前，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)各種類型空間飛行器的研制 工作正在緊鑼密鼓地開展之中。在研制空間飛行器控制系統(tǒng)的過程 中，為了在地面全物理仿真實(shí)驗(yàn)中模擬出空間的失重效果，國內(nèi)外通常采用吊絲配重式、水浮式或氣浮的方式。采用吊絲配重的方式，可 以保證吊絲偏角很小且拉力與物體重力相等，以補(bǔ)償飛行器本體重力 負(fù)載的影響。但是在實(shí)踐中，這種方式的具體實(shí)施極其困難，其難度 甚至超過飛行器本身的控制。水浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的純凈水的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用 極高，并且難以對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身進(jìn)行防水與配重處理。因此，無論是 水浮還是吊絲配重，在轉(zhuǎn)軸方向都始終難以完全補(bǔ)償重力的影響。而 氣浮臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣源裝置由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣、干燥和過濾設(shè)備等 組成，本身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜， 一般需要專人維護(hù)，具有占用空間大、運(yùn) 輸及維護(hù)費(fèi)用高等特點(diǎn)，并且高壓氣體本身也存在振動(dòng)噪聲大、安全 隱患大的缺點(diǎn)。在公開號(hào)為CN1865897A的中國發(fā)明專利申請(qǐng)"高精度單軸磁懸 浮轉(zhuǎn)臺(tái)"中，公開了一種由力矩電機(jī)、下保護(hù)軸承、下徑向/軸向一 體化位移傳感器、下徑向磁懸浮軸承、下底座、下軸向磁懸浮軸承、 芯軸、上軸向磁懸浮軸承、上徑向磁懸浮軸承、上徑向/軸向一體化 位移傳感器、上底座、上保護(hù)軸承、角位置編碼器和工作臺(tái)組成的高 精度單軸磁懸浮轉(zhuǎn)臺(tái)。其中，定子和轉(zhuǎn)子之間通過徑向磁懸浮軸承和 軸向磁懸浮軸承實(shí)現(xiàn)非機(jī)械接觸的穩(wěn)定懸浮。但是，該技術(shù)方案中， 機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)是由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)。這就意味者對(duì)于仿真試驗(yàn)對(duì)象 來說，控制力矩是由外部提供的、而不是由自身內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量慣性特性也不包含在仿真對(duì)象的動(dòng)力學(xué)之中。因此嚴(yán) 格地說，該技術(shù)方案并不能完全滿足全物理仿真要求能夠盡可能獨(dú)立 地、完整地、純粹地對(duì)整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬的要求。 發(fā)明內(nèi)容鑒于如上所述現(xiàn)有全物理仿真技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型的目 的是提供一種新型的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)。該磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)可以為航天器 等運(yùn)動(dòng)體控制系統(tǒng)的全物理仿真提供一個(gè)自主閉環(huán)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本實(shí)用新型采用下述的技術(shù)方案一種單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于所述單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)包括結(jié)構(gòu)支撐單元、軸承單元、軸向磁懸浮單元、傳感器單元、間隙調(diào)整與控制單元和軸面單元；所述傳感器單元包括相對(duì)設(shè)置的上傳感器和下傳感器；所述軸向 磁懸浮單元包括相對(duì)設(shè)置的上磁體和下磁體；所述軸承單元包括作為轉(zhuǎn)子部分的上、下軸承和作為定子部分的上、下軸承蓋；所述軸面單 元包括仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面與芯軸，所述上軸承和下軸承環(huán)繞所述芯軸設(shè) 置； 所述軸面單元、上傳感器、上磁體和軸承單元的轉(zhuǎn)子部分作為磁 浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，所述結(jié)構(gòu)支撐單元、下傳感器、下磁體和軸承單 元的定子部分、間隙調(diào)控單元作為磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的靜止部分，所述軸向磁 懸浮單元中相對(duì)設(shè)置的上磁體和下磁體產(chǎn)生磁力來平衡所述轉(zhuǎn)動(dòng)部分重力的影響，以使所述轉(zhuǎn)動(dòng)部分能繞所述芯軸無摩擦地旋轉(zhuǎn)。其中，所述結(jié)構(gòu)支撐單元包括基座、直線軸承座與墊鐵；其中的基座為圓筒狀，其底端有向外擴(kuò)大的環(huán)形底座，在環(huán)形底 座和基座之間均勻分布有若干加強(qiáng)筋，所述環(huán)形底座的底端通過若干 個(gè)所述墊鐵與地接觸以提供支撐。所述間隙調(diào)整與控制單元中包括直線導(dǎo)向軸、調(diào)整法蘭、間隙調(diào) 節(jié)螺桿、手動(dòng)調(diào)整輪和自動(dòng)間隙控制器；所述直線導(dǎo)向軸與所述芯軸布置在同一軸線上，所述上傳感器固 定在所述芯軸上，所述下傳感器固定在所述直線導(dǎo)向軸上，所述自動(dòng) 間隙控制器分別與所述上、下傳感器相連接，對(duì)所述直線導(dǎo)向軸與所 述芯軸之間的間隙進(jìn)行閉環(huán)控制。所述直線導(dǎo)向軸與下傳感器支座固定安裝，安裝在基座底部上面 的直線軸承座的內(nèi)壁采用軟橡膠材質(zhì)，所述直線導(dǎo)向軸的外徑略小于 直線軸承座的內(nèi)徑；在所述基座底部下面安裝有所述調(diào)整法蘭，所述調(diào)整法蘭的內(nèi)壁 攻有螺絲，且內(nèi)壁直徑略大于所述直線導(dǎo)向軸的外徑；所述間隙調(diào)節(jié)螺桿上部的螺紋正好與所述調(diào)整法蘭內(nèi)壁的絲口 相匹配，所述間隙調(diào)節(jié)螺桿的下部安裝在所述手動(dòng)調(diào)節(jié)輪上。所述芯軸的下側(cè)開有傳感器電纜通孔，所述自動(dòng)間隙控制器通過 穿過該通孔的電纜與所述上傳感器和下傳感器相連接；所述自動(dòng)間隙控制器安裝在所述基座與環(huán)形底座相接的位置。所述上傳感器包括角位移傳感器的轉(zhuǎn)子部分和間隙傳感器的上 半部分，所述下傳感器包括角位移傳感器的定子部分和間隙傳感器的 下半部分。所述角位移傳感器的轉(zhuǎn)子部分為角位移傳感器中連接電纜的部分。所述上軸承蓋的上側(cè)是軸向磁懸浮單元中的下磁體和下磁體支 座，所述仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的下側(cè)是軸向磁懸浮單元中的上磁體支座和上
磁體，所述上、下磁體支座為環(huán)狀，其上有位置相對(duì)應(yīng)的若干回轉(zhuǎn)體， 所述上、下磁體分別放置在所述回轉(zhuǎn)體形成的凹槽中，通電導(dǎo)線沿所 述回轉(zhuǎn)體設(shè)置。所述通電導(dǎo)線中電流方向的控制通過MOS電路來實(shí)現(xiàn)，所述MOS 電路中，第一 M0S管與第三M0S管串接，第二 M0S管與第四M0S管也 串接，它們并聯(lián)在V+與GND之間，在第一M0S管與第四M0S管之間 設(shè)置有通電導(dǎo)線。所述第一MOS管與第三M0S管的觸發(fā)端短接在-一起，所述第二MOS 管與第四MOS管的觸發(fā)端短接在一起；且兩個(gè)短接處的電平狀態(tài)時(shí)時(shí) 相反。采用上述方案后，本實(shí)用新型同氣浮臺(tái)相比，無需氣源裝置，同 吊絲配重和水浮實(shí)驗(yàn)裝置相比可以在轉(zhuǎn)軸方向上完全抵消重力的不 利影響，確保仿真對(duì)象和磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)之間在動(dòng)力學(xué)上的完全分離。作為 一種自由轉(zhuǎn)臺(tái)，本實(shí)用新型克服了一般的半物理仿真機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)摩擦力 矩大的缺點(diǎn)，并且可以確保控制系統(tǒng)仿真對(duì)象具有自主閉環(huán)的特點(diǎn)。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。 圖1是本實(shí)用新型所提供的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1所示的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)的使用狀態(tài)示意圖。 圖3是直線導(dǎo)向軸的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是調(diào)整法蘭的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是間隙調(diào)節(jié)螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是直線軸承座的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是手動(dòng)調(diào)整輪的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是上傳感器支座的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9是下傳感器支座的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖10是上磁體支座的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖11是下磁體支座的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖12是自動(dòng)間隙控制原理的框圖。 圖13是電流方向控制電路的原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種用于實(shí)現(xiàn)航天器等運(yùn)動(dòng)體全物理仿真的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)。如圖1所示，該單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)主要由結(jié) 構(gòu)支撐單元、軸承單元、軸向磁懸浮單元、傳感器單元、間隙調(diào)整與控制單元和軸面單元等6個(gè)單元組成。其中，結(jié)構(gòu)支撐單元包括基座 11、直線軸承座17與墊鐵23;軸承單元包括上軸承蓋7、上軸承8、 下軸承9、下軸承蓋10;軸向磁懸浮單元包括上磁體支座2、上磁體 3、下磁體5和下磁體支座6;傳感器單元包括傳感器電纜通孔12、 上傳感器支座13、上傳感器14、下傳感器15和下傳感器支座16;間 隙調(diào)控單元包括直線導(dǎo)向軸18、調(diào)整法蘭19、間隙調(diào)節(jié)螺桿20、手 動(dòng)調(diào)整輪21和自動(dòng)間隙控制器22;軸面單元包括仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面1與 芯軸4。與背景技術(shù)中提到的中國發(fā)明專利申請(qǐng)"高精度單軸磁懸浮轉(zhuǎn) 臺(tái)"不同的是，在本實(shí)用新型中不存在力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，整個(gè) 磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分只有軸面單元、傳感器單元的上面部分、軸向磁 懸浮單元的上面部分和軸承單元的轉(zhuǎn)子部分；而結(jié)構(gòu)支撐單元、傳感 器單元的下面部分、軸向磁懸浮單元的下面部分、軸承單元的定子部 分、間隙調(diào)控單元的手動(dòng)部分則屬于整個(gè)磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的靜止部分。該單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理是利用結(jié)構(gòu)支撐單元對(duì)整個(gè) 磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)及其載荷(仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象)進(jìn)行支撐，軸面單元為仿真對(duì)象提 供轉(zhuǎn)軸，并提供繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面。通過軸承單元將轉(zhuǎn)動(dòng)部 分和靜止部分分離開來。利用軸向磁懸浮單元所產(chǎn)生的磁力來平衡載 荷(仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象)重力的影響，確保磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)能夠繞轉(zhuǎn)軸無摩擦地旋 轉(zhuǎn)。參見圖1和圖2所示，結(jié)構(gòu)支撐單元中的基座ll為圓筒狀，其 底端有向外擴(kuò)大的環(huán)形底座。該種設(shè)計(jì)方式降低了本單軸磁懸浮自由 轉(zhuǎn)臺(tái)的重心，使磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)在使用時(shí)更加穩(wěn)定。為了減輕整個(gè)磁浮轉(zhuǎn)臺(tái) 的重量，環(huán)形底座上可以開有若干個(gè)如圖2所示的通孔。另外，為了 加強(qiáng)基座11的強(qiáng)度，在環(huán)形底座和基座11之間均勻分布有若干個(gè)三 角形的加強(qiáng)筋。該環(huán)形底座的底端不直接與地面接觸，而是通過若干 個(gè)墊鐵23與地接觸以提供支撐，這是為了避免地面不平給本磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的使用帶來不利的影響。基座11的上端與軸承單元中的上軸承蓋7相連接。該上軸承蓋7 為圓形，中心處為上軸承8。上軸承8環(huán)繞軸面單元中的芯軸4設(shè)置。 該芯軸4的上端是用于放置實(shí)驗(yàn)物品的仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面l，下端周緣為 軸承單元中的下軸承9，下軸承9由下軸承蓋10提供支撐。軸承單元 為了將轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分進(jìn)行分離。通過同時(shí)采用上軸承8與下軸 承9來保證芯軸4始終處于同一條直線上。上軸承8與下軸承9可釆 用機(jī)械滾珠軸承，也可采用徑向永磁軸承以消除徑向摩擦。在上軸承 蓋7與下軸承蓋10之間，通過一個(gè)圓管進(jìn)行連接，在該圓管的外側(cè)， 也均勻分布有若干較小的三角形加強(qiáng)筋。芯軸4的底端是間隙調(diào)控單元中的直線導(dǎo)向軸18。該直線導(dǎo)向軸 的結(jié)構(gòu)如圖3所示，為一個(gè)中間有穿孔的圓柱體。直線導(dǎo)向軸18的 外緣是如圖4所示的調(diào)整法蘭19，下端是如圖5所示的間隙調(diào)節(jié)螺桿 20。在調(diào)整法蘭19與基座11之間安裝有圖6所示的直線軸承座17。 該直線軸承座17為一個(gè)中間有凸起的回轉(zhuǎn)體的圓環(huán)，它與下傳感器 支座16也固定連接。間隙調(diào)節(jié)螺桿20的外緣設(shè)置有圖7所示的手動(dòng) 調(diào)整輪21。間隙調(diào)控單元中的自動(dòng)間隙控制器22既可安裝在靜止部 分，也可安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)部分，還可同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分安裝。該 自動(dòng)間隙控制器22可以根據(jù)動(dòng)態(tài)載荷引起的間隙變化，自動(dòng)改變軸 向磁懸浮單元所產(chǎn)生的磁力，確保磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)以適當(dāng)?shù)拈g隙范圍盡可能 無摩擦地旋轉(zhuǎn)。在圖l所示的實(shí)施例中，該自動(dòng)間隙控制器22安裝 在結(jié)構(gòu)支撐單元中的基座11與環(huán)形底座相接的位置。芯軸4與直線導(dǎo)向軸18相接觸的地方設(shè)置有傳感器單元。在本實(shí)用新型中，傳感器按功能分包括角位移傳感器和間隙傳感器，其中 角位移傳感器的轉(zhuǎn)子部分和間隙傳感器的上半部分安裝在上方的位 置，稱為上傳感器14;角位移傳感器的定子部分和間隙傳感器的下半 部分安裝在下方的位置，稱為下傳感器15。上傳感器14和下傳感器 15相對(duì)設(shè)置，以便測(cè)量芯軸4與直線導(dǎo)向軸18之間間隙的精確數(shù)值。 上傳感器支座13和上傳感器14固定在芯軸4上，下傳感器15和下 傳感器支座16固定在直線導(dǎo)向軸18上。上傳感器支座13參見圖8 所示，下傳感器支座16參見圖9所示，它們均為環(huán)狀體。在芯軸4的下側(cè)開有傳感器電纜通孔12，以便讓上述的自動(dòng)間隙 控制器22通過穿過該通孔的電纜與傳感器單元中的上傳感器14和下 傳感器15相連接。上述的傳感器單元一方面要對(duì)磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)繞轉(zhuǎn)軸旋 轉(zhuǎn)的姿態(tài)角位移進(jìn)行高精度測(cè)量，并能夠在確保轉(zhuǎn)子與定子分離的前 提下，通過上傳感器支座將測(cè)量信號(hào)傳送到仿真試驗(yàn)臺(tái)面。另一方面 要在軸向?qū)俏灰粕蟼鞲衅髋c角位移下傳感器之間的軸向間隙進(jìn)行 測(cè)量，并將測(cè)量信號(hào)傳送到自動(dòng)間隙控制器，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的閉環(huán) 控制。對(duì)此，下文中將有詳細(xì)的說明。
上軸承蓋7的上側(cè)是軸向磁懸浮單元中的下磁體5和下磁體支座 6,仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面1的下側(cè)是軸向磁懸浮單元中的上磁體支座2和上 磁體3。其中上磁體3和下磁體5相對(duì)設(shè)置，用于提供抵消仿真實(shí)驗(yàn) 臺(tái)面l及放置其上的實(shí)驗(yàn)物品重力影響的電磁斥力。參見圖10和圖 ll所示，其中圖IO顯示了上磁體支座的一種實(shí)施例，圖ll顯示了與 該上磁體支座結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的下磁體支座的實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中， 上、下磁體支座為環(huán)狀，其上有位置相對(duì)應(yīng)的若干用于安放通電導(dǎo)線 的回轉(zhuǎn)體，其中圖上標(biāo)有2A、 3A的地方(即由回轉(zhuǎn)體形成的凹槽) 就是分別放置上、下磁體的位置。另外，通電導(dǎo)線既可采用內(nèi)線圈的 方式放置(放置位置為圖中的2B、3B)，也可采用外線圈的方式放置(放 置位置為圖中的2C、 3C)。
軸向磁懸浮單元是本磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的核心功能元件之一。該單元可以 采用"永磁+電磁"的方式，根據(jù)同極性磁體相斥的原理利用電磁力 對(duì)作為磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)載荷的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象的重力進(jìn)行補(bǔ)償。在具體的控制 過程中，采用對(duì)電磁鐵通電電流的大小和方向同時(shí)控制的方式，根據(jù) 載荷需求變化在永磁體和電磁體之間進(jìn)行合理的折中。如果讓電流保 持恒定的方向，那么磁體應(yīng)按照補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象最小載荷的要求進(jìn) 行設(shè)計(jì)，電磁力應(yīng)按照補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象最大載荷的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。 電磁力通過在電磁鐵上布設(shè)通電導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)。磁體力的計(jì)算公式為
<formula>formula see original document page 10</formula> (1)
其中；/。，A，f^分別為真空中的磁導(dǎo)率、可磁化介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率、
磁化率和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量。
磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁體之間的間隙/^)(和角位移傳感器間的間隙差一個(gè)
常數(shù))成平方反比關(guān)系。對(duì)于電磁鐵來說，磁場(chǎng)強(qiáng)度同線圈的匝數(shù)V、截 面積S和電流的平方成正比，即
<formula>formula see original document page 11</formula>假設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象載荷(磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分)的總重量為wg，則磁 懸浮運(yùn)動(dòng)方程為<formula>formula see original document page 11</formula>
為了減小仿真對(duì)象的電功耗， 一般采用下電磁；當(dāng)然也可采用上 電磁或上、下聯(lián)合電磁，這并不影響仿真實(shí)驗(yàn)的自主閉環(huán)特點(diǎn)，但會(huì) 增加磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)上的功耗。
圖12所示為自動(dòng)間隙控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的閉環(huán)控制的實(shí)施原理 框圖。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真對(duì)象的自主閉環(huán)控制，將角位移傳感器中連接 電纜的部分作為轉(zhuǎn)子，安裝在上傳感器支座上；而另一部分則當(dāng)作定 子，安裝在下傳感器支座上。
在進(jìn)行全物理仿真時(shí)，為了確保角位移傳感器測(cè)量信號(hào)的品質(zhì)， 要求軸向間隙保持在適當(dāng)?shù)姆秶?。為此，需要在軸向?qū)俏灰苽鞲衅?轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，并將測(cè)量信號(hào)提供給自動(dòng) 間隙控制器。間隙傳感器可以采用電渦流位移傳感器或其它微位移傳 感器。它對(duì)當(dāng)前軸向間隙進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過模/數(shù)(A/D)變換后同期望間 隙進(jìn)行比較，根據(jù)其比較結(jié)果，間隙控制器可以采用不同的控制方法 (如PID方法，變結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)或智能控制方法等)來計(jì)算控制變量(磁 懸浮力)的大小，然后經(jīng)過數(shù)/模(D/A)變換、功率放大、電流方向控制， 最后驅(qū)動(dòng)通電導(dǎo)線產(chǎn)生適當(dāng)大小的電磁力，從而按期望調(diào)整總懸浮力 的大小，達(dá)到控制實(shí)際間隙大小的目的。
對(duì)于通電導(dǎo)線中電流方向的控制，本實(shí)用新型提供了一種簡(jiǎn)單的 解決方法，就是在電源處加開關(guān)用邏輯元件來控制導(dǎo)通狀態(tài)。這可以 用如圖13所示的MOS電路來實(shí)現(xiàn)。該電路中，M0S管Q1和Q3串接， Q2和Q4也串接，它們并聯(lián)在V+與GND之間。在Q1和Q4之間設(shè)置 有通電導(dǎo)線L。利用該電路，可以實(shí)現(xiàn)通電導(dǎo)線中的電流反向。具體 實(shí)現(xiàn)條件如下Ql和Q3的觸發(fā)端應(yīng)該短接在一起，Q2和Q4的觸發(fā) 端應(yīng)該短接在一起；且兩個(gè)短接處的電平狀態(tài)應(yīng)該時(shí)時(shí)相反。即Ql、 Q3高電平時(shí)，Q2、 Q4應(yīng)該同時(shí)為低電平；反之同理。什么時(shí)候需要
改變通電導(dǎo)線中的電流方向，控制電平的高低即可當(dāng)送入Ql、 Q3
為高電平時(shí)，電流方向向下；反之向上。
在本實(shí)用新型中，通過間隙調(diào)控單元的手動(dòng)部分，可以對(duì)軸向間 隙進(jìn)行初始調(diào)準(zhǔn)并進(jìn)行最小間隙設(shè)置，以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械保護(hù)。這里 的機(jī)械保護(hù)是這樣實(shí)現(xiàn)的直線導(dǎo)向軸18與下傳感器支座16固定安 裝。安裝在基座底部上面的直線軸承座17的內(nèi)壁采用軟橡膠材質(zhì)， 而直線導(dǎo)向軸18的外徑略小于直線軸承座17的內(nèi)徑，因此可以在直 線軸承座17里面帶動(dòng)下傳感器支座16及下傳感器15作上下運(yùn)動(dòng)。 在基座ll底部下面安裝有調(diào)整法蘭19，調(diào)整法蘭19的內(nèi)壁攻有螺絲， 且內(nèi)壁直徑略大于直線導(dǎo)向軸18的外徑。間隙調(diào)節(jié)螺桿20上部的螺 紋正好與調(diào)整法蘭19內(nèi)壁的絲口相匹配。間隙調(diào)節(jié)螺桿的下部安裝 在手動(dòng)調(diào)節(jié)輪21上。這樣，通過旋緊手動(dòng)調(diào)節(jié)輪及調(diào)節(jié)螺桿，就可 以使直線導(dǎo)向軸上表面頂?shù)叫据S的下表面，這時(shí)角位移傳感器的軸向 間隙最?。蝗缓笤傩墒謩?dòng)調(diào)節(jié)輪及調(diào)節(jié)螺桿，下傳感器連同其支座 和直線導(dǎo)向軸就會(huì)相應(yīng)下降，根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)輪旋松的圈數(shù)就可大致確 定角位移傳感器之間的軸向間隙，將初始間隙調(diào)試到適當(dāng)?shù)拇笮。?角位移測(cè)量性能最佳。另外，采用同樣的方式，也可以對(duì)間隙傳感器 的讀數(shù)進(jìn)行初始校準(zhǔn)。
以上對(duì)本實(shí)用新型所提供的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的 說明。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)精神 的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型專 利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
權(quán)利要求1.一種單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于所述單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)包括結(jié)構(gòu)支撐單元、軸承單元、軸向磁懸浮單元、傳感器單元、間隙調(diào)整與控制單元和軸面單元；所述傳感器單元包括相對(duì)設(shè)置的上傳感器和下傳感器；所述軸向磁懸浮單元包括相對(duì)設(shè)置的上磁體和下磁體；所述軸承單元包括作為轉(zhuǎn)子部分的上、下軸承和作為定子部分的上、下軸承蓋；所述軸面單元包括仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面與芯軸，所述上軸承和下軸承環(huán)繞所述芯軸設(shè)置；所述軸面單元、上傳感器、上磁體和軸承單元的轉(zhuǎn)子部分作為磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，所述結(jié)構(gòu)支撐單元、下傳感器、下磁體和軸承單元的定子部分、間隙調(diào)控單元作為磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的靜止部分，所述軸向磁懸浮單元中相對(duì)設(shè)置的上磁體和下磁體產(chǎn)生磁力來平衡所述轉(zhuǎn)動(dòng)部分重力的影響，以使所述轉(zhuǎn)動(dòng)部分能繞所述芯軸無摩擦地旋轉(zhuǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于-所述結(jié)構(gòu)支撐單元包括基座、直線軸承座與墊鐵； 其中的基座為圓筒狀，其底端有向外擴(kuò)大的環(huán)形底座，在環(huán)形底座和基座之間均勻分布有若干加強(qiáng)筋，所述環(huán)形底座的底端通過若干 個(gè)所述墊鐵與地接觸以提供支撐。
3. 如權(quán)利要求1所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述間隙調(diào)整與控制單元中包括直線導(dǎo)向軸、調(diào)整法蘭、間隙調(diào)節(jié)螺桿、手動(dòng)調(diào)整輪和自動(dòng)間隙控制器；所述直線導(dǎo)向軸與所述芯軸布置在同一軸線上，所述上傳感器固 定在所述芯軸上，所述下傳感器固定在所述直線導(dǎo)向軸上，所述自動(dòng) 間隙控制器分別與所述上、下傳感器相連接，對(duì)所述直線導(dǎo)向軸與所 述芯軸之間的間隙進(jìn)行閉環(huán)控制。
4. 如權(quán)利要求3所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于所述間隙調(diào)節(jié)螺桿上部的螺紋與所述調(diào)整法蘭內(nèi)壁的絲口相匹 配，所述間隙調(diào)節(jié)螺桿的下部安裝在所述手動(dòng)調(diào)節(jié)輪上。
5. 如權(quán)利要求3所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述芯軸的下側(cè)開有傳感器電纜通孔，所述自動(dòng)間隙控制器通過 穿過該通孔的電纜與所述上傳感器和下傳感器相連接。
6. 如權(quán)利要求1所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述上傳感器包括角位移傳感器的轉(zhuǎn)子部分和間隙傳感器的上半部分，所述下傳感器包括角位移傳感器的定子部分和間隙傳感器的 下半部分。
7. 如權(quán)利要求6所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述角位移傳感器的轉(zhuǎn)子部分為角位移傳感器中連接電纜的部分。
8. 如權(quán)利要求1所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述上軸承蓋的上側(cè)是軸向磁懸浮單元中的下磁體和下磁體支座，所述仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的下側(cè)是軸向磁懸浮單元中的上磁體支座和上 磁體，所述上、下磁體支座為環(huán)狀，其上有位置相對(duì)應(yīng)的若干回轉(zhuǎn)體， 所述上、下磁體分別放置在所述回轉(zhuǎn)體形成的凹槽中，通電導(dǎo)線沿所 述回轉(zhuǎn)體設(shè)置。
9. 如權(quán)利要求8所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述通電導(dǎo)線中電流方向的控制通過M0S電路來實(shí)現(xiàn)，所述M0S電路中，第一 M0S管與第三M0S管串接，第二 M0S管與第四M0S管也 串接，它們并聯(lián)在V+與GND之間，在第一 M0S管與第四MOS管之間 設(shè)置有通電導(dǎo)線。
10. 如權(quán)利要求9所述的單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于 所述第一MOS管與第三MOS管的觸發(fā)端短接在一起，所述第二MOS管與第四M0S管的觸發(fā)端短接在一起；且兩個(gè)短接處的電平狀態(tài)時(shí)時(shí) 相反。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)，主要用于對(duì)航天器等運(yùn)動(dòng)體的控制系統(tǒng)進(jìn)行全物理仿真。該單軸磁懸浮自由轉(zhuǎn)臺(tái)包括結(jié)構(gòu)支撐單元、軸承單元、軸向磁懸浮單元、傳感器單元、間隙調(diào)整與控制單元和軸面單元。其中軸面單元、上傳感器、上磁體和軸承單元的轉(zhuǎn)子部分作為磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，結(jié)構(gòu)支撐單元、下傳感器、下磁體和軸承單元的定子部分、間隙調(diào)控單元作為磁浮轉(zhuǎn)臺(tái)的靜止部分，軸向磁懸浮單元中相對(duì)設(shè)置的上磁體和下磁體產(chǎn)生磁力來平衡轉(zhuǎn)動(dòng)部分重力的影響，以使轉(zhuǎn)動(dòng)部分能繞芯軸無摩擦地旋轉(zhuǎn)。作為一種自由轉(zhuǎn)臺(tái)，本實(shí)用新型克服了一般的半物理仿真機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)摩擦力矩大的缺點(diǎn)，并且可以確?？刂葡到y(tǒng)仿真對(duì)象具有自主閉環(huán)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK201045606SQ20072010397
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
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