但呈菱方形軸對(duì)稱分布。兩組姿態(tài)控制線圈分別位于系統(tǒng) 立體空間的另外四個(gè)對(duì)稱面上、且線圈中屯、與面屯、重合。六組線圈的對(duì)稱中屯、位于系統(tǒng)中 屯、位置處即小磁體回歸位置處。根據(jù)懸浮控制系統(tǒng)的控制原理，要求姿態(tài)控制線圈的線度 大于小磁體的線度，而位置控制線圈的線度小于小磁體的線度，每個(gè)線圈與電流控制源連 接，通過(guò)對(duì)線圈電流大小和方向的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小磁體的空間姿態(tài)和位置的控制。
[0155] 圖4中小磁體選用SmCo5材料，形狀為圓柱體或球體，磁矩大小M = 6.25 X IQ-2Am2, 質(zhì)量Ig，為了減小控制過(guò)程中外界對(duì)小磁體的擾動(dòng)，在小磁體外面包裹了非磁性材料，使檢 驗(yàn)質(zhì)量塊的質(zhì)量達(dá)到100g;四組位置控制線圈的直徑為0.56cm，線圈應(yīng)數(shù)各1OO應(yīng)，在圖2所 示坐標(biāo)系下，第一組位置控制線圈1、1 /的中屯、坐標(biāo)分別為（-5cm，1 cm，0)、（5cm，1 cm，0)，第 二組位置控制線圈2、2/的中屯、坐標(biāo)分別為(-5cm，0，1cm)、（ 5cm，0，1cm)，第S組位置控制線 圈3、3'的中屯、坐標(biāo)分別為（-5cm，-Icm，0)、（5畑1，-Icm，0)，第四組位置控制線圈4、4'中屯、坐 標(biāo)分別為（-5cm，0，-lcm)、（5cm，0，-lcm);兩組姿態(tài)控制線圈的直徑1.2畑1，線圈應(yīng)數(shù)100應(yīng)， 第一組姿態(tài)控制線圈5、5^中屯、坐標(biāo)分別為(0,5畑1，0)、（0，-5畑1，0)，第二組姿態(tài)控制線圈6、 6'中屯、坐標(biāo)分別為（0,0,5cm)、（0,0，-5cm)。
[0156] 通過(guò)計(jì)算，對(duì)于第一組位置控制線圈1,1/，只需施加 ImA左右的電流，就可對(duì)小磁 體在y方向施加 ICT8N的力，對(duì)于第二組位置控制線圈2,2/，也只需施力日ImA左右的電流，就可 對(duì)小磁體在Z方向提供10呵的恢復(fù)力，對(duì)于第立組位置控制線圈3,3/，只需施加0.5mA的電 流，就可對(duì)小磁體在X方向施加 ICT8N的恢復(fù)力。對(duì)于第一組姿態(tài)控制線圈5,5^和第二組姿態(tài) 控制線圈6,6/，只需施加0.1mA左右的電流，即可對(duì)小磁體提供6.33 X ICTiiNm的轉(zhuǎn)矩用于其 姿態(tài)控制，再運(yùn)用模糊-PID控制算法，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間小磁體的懸浮控制。
[0157] 所述方法通過(guò)構(gòu)建小磁體懸浮控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)稱面的四組呈菱方形軸對(duì)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(guò)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(chǎng)和梯度磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 動(dòng)力矩的施加和平動(dòng)力的施加，實(shí)現(xiàn)對(duì)小磁體的姿態(tài)控制和位置控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 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： 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； 2) 通過(guò)改變位置控制線圈中通電電流的大小及方向，來(lái)改變小磁體在所述懸浮控制系 統(tǒng)中的位置，通過(guò)改變姿態(tài)控制線圈中通電電流的大小及方向，來(lái)改變小磁體的姿態(tài)。2. 如權(quán)利要求1所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于:所述的構(gòu)建小磁體懸浮 控制系統(tǒng)的方法如下： 小磁體懸浮控制系統(tǒng)腔體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其中在腔體X方向的兩個(gè)相對(duì)面上安置W面 屯、為對(duì)稱中屯、的軸對(duì)稱的四對(duì)位置控制線圈（1，1'；2,2'；3,3'；4,4'），通過(guò)施加不同方向 的電流及電流強(qiáng)度，小磁體受到的平動(dòng)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(duì)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(duì)稱的兩對(duì)姿態(tài)控制線圈 (5,5'；6,6'），通過(guò)改變姿態(tài)控制線圈中通電電流的大小及方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小磁體的姿態(tài)控 審ij，將小磁體等效磁矩方向始終控制在X方向。3. 如權(quán)利要求2所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于:所述的位置控制線圈的 控制方法如下： 設(shè)位置控制的四對(duì)通電線圈相應(yīng)的磁矩分別記為馬、麻，、仿，、麻4，后1.、 厲,.、厄4.，其在小磁體位置區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于線圈線度很小，可用磁偶極場(chǎng)來(lái)表 示，為了反映通電控制線圈磁矩的方向，磁矩分別記為麻,=馬Μ,Γ，i = l，2,3,4，l/ ,2/ ,3/， 少，Mi為磁矩的大小，Si表示磁矩的方向； 小磁體的磁矩記為Μ，下面計(jì)算通電位置控制線圈對(duì)小磁體的電磁作用力，W其中第 一對(duì)位置控制線圈（1,1/)來(lái)作一個(gè)分析，先計(jì)算廚，對(duì)Μ的控制電磁力，設(shè)S為從面指向 的矢量，設(shè)Μ中屯、所在位置坐標(biāo)為(x，y，z)，M,相對(duì)中屯、所在位置的坐標(biāo)為(a，b，c)，則有可得到作用于小磁體上的電磁力：同理，對(duì)于麻，.對(duì)Μ的控制作用，由于嚴(yán)格軸對(duì)稱，麻1,中屯、所在位置坐標(biāo)為(-a，b，c)，相 應(yīng)的5.=(-。-姊· +(6-y)7 + (c-z)完，與Μ的相互作用勢(shì)為由于χ^Ο，y^O，ζ^Ο，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(duì)位置控制線圈（1,1/)嚴(yán)格軸對(duì)稱，且線圈大小、通電電流大小相等，故 有 ;ri = ;ri'，Μι=Μι' (14) 可見(jiàn)只要控制Si和δι'的取值W及（a，b，c)的取值，就可實(shí)現(xiàn)第一對(duì)位置控制線圈（1， 1 /)對(duì)小磁體電磁力Ξ個(gè)方向分量的獨(dú)立控制。4.如權(quán)利要求3所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于： 1) 對(duì)于第一對(duì)位置控制線圈（1，?υ，取δι = δι'=1或-l，c = 0; 則有： Fxi = -Fxi'，F(xiàn)yi = Fyi'，F(xiàn)zi = Fzi' =0 (15) 即實(shí)現(xiàn)了 y方向分力的獨(dú)立控制； 另外當(dāng)取 δι = 1，δι' =-1 或 δι = -1，δι' =l，c = 0 時(shí) 則有： Fxi = Fxi'，F(xiàn)yi = -Fyi'，F(xiàn)zi = Fzi' =0 (16) 也可實(shí)現(xiàn)X方向分力的獨(dú)立控制. 2) 對(duì)于第二對(duì)位置控制線圈（2,2〇,取δ2 = δ2'=1或-l，b = 0; 則有： Fxi = -Fxi'，F(xiàn)yi = Fyi' = 0，F(xiàn)zi = Fzi' (17) 即實(shí)現(xiàn)了 z方向分力的獨(dú)立控制； 另外當(dāng)取δ2 = 1，δ2' =-1 或 δ2 = -1，δ2' =l，b = 0時(shí)， 則有： Fxi = Fxi'，F(xiàn)yi = Fyi' =0，F(xiàn)zi = -Fzi' (18) 也可實(shí)現(xiàn)X方向分力的獨(dú)立控制. 3) 對(duì)于第Ξ對(duì)位置控制線圈（3,3〇,取δ3 = 1，δ3'=-1或S3 = -l，S3'=l，c = 0; 則有： Fxi = Fxi'，F(xiàn)yi = -Fyi'，F(xiàn)zi = Fzi' =0 (19) 即實(shí)現(xiàn)了X方向分力的獨(dú)立控制，同樣地，第Ξ對(duì)位置控制線圈（3,3/)也可W實(shí)現(xiàn)y方 向的獨(dú)立控制； 4) 對(duì)于第四對(duì)位置控制線圈（4，少），也與前面Ξ組線圈作用類似，控制小磁體在x，y，z Ξ個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，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^個(gè) 方向的平動(dòng)，則需要Ξ組控制線圈，第四對(duì)位置控制線圈(4，少）作為冗余線圈，當(dāng)其它Ξ組 控制線圈之一出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可由其代替實(shí)現(xiàn)相應(yīng)分力的獨(dú)立控制。5. 如權(quán)利要求2所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于:姿態(tài)控制線圈的控制方 法如下： 兩對(duì)姿態(tài)控制線圈（5,5/ ;6,6/ )實(shí)現(xiàn)對(duì)小磁體姿態(tài)的控制，相應(yīng)的磁矩分別記為 厲，、麻。、府5.、近&.，兩對(duì)姿態(tài)控制線圈巧，5/;6,6〇在小磁體區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分 別為馬、馬，兩對(duì)線圈中屯、與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為1，由于每對(duì)線圈的大小和通電電流方向、 大小完全相同，有厲;=厲;.、化=面e.; 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(duì)姿態(tài)控制線圈（5，5/)磁場(chǎng) 對(duì)它的力矩巧作用，有(20) 由于第一對(duì)姿態(tài)控制線圈（5,5/)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(chǎng)近似為均勻磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向?yàn)閥方向，根據(jù)磁偶極場(chǎng)的計(jì)算公式，有(21) 則相應(yīng)的力矩大小為：(22) 力矩方向垂直于Μ和馬構(gòu)成的平面，很顯然在此力矩的作用下，Μ將在XY平面內(nèi)由y方 向轉(zhuǎn)向X方向；2) 第二對(duì)姿態(tài)控制線圈（6,6/ )對(duì)小磁體磁矩的控制與第一對(duì)姿態(tài)控制線圈（5,5/ )對(duì) 小磁體磁矩的控制是類似的，在力矩巧用下，Μ將在XZ平面內(nèi)由Z方向轉(zhuǎn)向X方向，相應(yīng)的 有： (23) 綜合W上兩對(duì)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。6. 如權(quán)利要求1所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于:所述小磁體為楠圓形、 圓柱形或球形。7. 如權(quán)利要求2所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于:所述小磁體選用永磁體 材料制作。8.如權(quán)利要求1所述的空間小磁體懸浮控制方法，其特征在于:所述檢測(cè)磁體的外側(cè)包 裹有非磁性材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間小磁體懸浮控制方法，涉及空間磁場(chǎng)的控制方法技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括如下步驟：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；2)通過(guò)改變位置控制線圈中通電電流的大小及方向，來(lái)改變小磁體在所述懸浮控制系統(tǒng)中的位置，通過(guò)改變姿態(tài)控制線圈中通電電流的大小及方向，來(lái)改變小磁體的姿態(tài)。所述方法通過(guò)控制線圈電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間懸浮小磁體的姿態(tài)和位置進(jìn)行精確控制。
【IPC分類】H02N15/00
【公開號(hào)】CN105577035
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610090217
【發(fā)明人】潘禮慶, 楊先衛(wèi), 邵明學(xué), 趙華, 丁紅勝, 鄭勝, 張超, 羅志會(huì), 譚超, 許云麗, 許文年, 李建林
【申請(qǐng)人】三峽大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2016年2月18日