[发明专利]六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法

说明书

本发明涉及一种六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法。所述六自由度可控式磁悬浮机构包括定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统和平转驱动系统；所述定子包括定子基座、设置在定子基座中心位置上的定子吸合磁体以及设置在定子基座上的托举磁环；所述托举磁环呈圆环状设置并以定子吸合磁体为圆心；所述浮子包括浮子基座、设置在浮子基座中心位置上的浮子吸合磁体以及设置在浮子基座上的浮子悬浮磁体。本发明将悬浮、定位与位置调整这三大功能模块进行完全的分离，并且加装了平转驱动系统，因此，本发明磁悬浮机构除了能完成悬浮功能之外，还能够在一定范围内任意控制浮子的悬浮高度、悬浮角度、悬浮旋转速度等。

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮装置，具体地说是一种六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法。

背景技术

磁悬浮系统是一类复杂的机械电子系统，其基本原理是利用磁力使物体处于无机械接触的悬浮状态。基于典型的机电一体化和自动控制的磁悬浮技术是一种涉及多个工程领域的综合技术，其相关产品具有巨大的实用价值而广泛应用于从工业、交通、科研、医学到教学、玩具、观赏等诸多领域，也形成了相关的产业。

对于基于磁斥原理的磁悬浮系统而言，其浮子在所处的三维空间内具有完全的六个自由度，分别是在X、Y、Z轴方向上的偏移和在X、Y、Z轴方向上的转矩。然而，现有的磁悬浮系统均不能进行其浮子水平旋转的控制。其六个自由度中只有X、Y轴方向上的偏移是可以通过平面布置的电磁铁予以控制的。因为浮子本身具有了低重心结构，即在X、Y轴方向的转矩为零，使得其自身能够保持稳定，不会翻转。由于磁悬浮系统在Z轴方向的移位是由定子的磁斥力予以平衡，所以，在理想的磁悬浮控制状态下，浮子应该是完全静止的。

就实际情况而言，磁悬浮系统很难做到完全的平衡，其不平衡的效果就会体现在浮子不受控制的自由度上，即体现在其Z轴上的转矩。有鉴于此，Z轴转矩上任何一个很小的干扰，都会因浮子在这个方向上没有任何的阻尼而显现出不稳定的状态，从而表现为浮子围绕Z轴转动的现象。

由于现有磁悬浮系统对Z轴方向的转矩均无约束，所以其缺点明显，就是其浮子会在X、Y轴的二维平面中围绕Z轴产生无法受控的和缓慢的自由转动。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种六自由度可控式磁悬浮机构，以解决现有磁悬浮系统存在的浮子围绕立轴产生不可控转动以及在水平面内无法控制其倾侧和偏摆的问题。

本发明的目的之二就是提供一种磁悬浮机构的六自由度控制方法，以实现磁悬浮机构的三维六自由度的运动控制。

本发明的目的之一是这样实现的：一种六自由度可控式磁悬浮机构，包括定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统和平转驱动系统。

所述定子包括定子基座、设置在定子基座中心位置上的定子吸合磁体以及设置在定子基座上的托举磁环；所述托举磁环呈圆环状设置并以定子吸合磁体为圆心。

所述浮子包括浮子基座、设置在浮子基座中心位置上的浮子吸合磁体以及设置在浮子基座上的浮子悬浮磁体；所述浮子基座为圆形或对称多边形板体，所述浮子吸合磁体与所述定子吸合磁体以异性磁极相对的方式上下相对，以形成对浮子定位的吸合磁场；所述浮子悬浮磁体有三个以上，具有相同的形状和相同的磁场强度，均匀分布在靠近浮子基座边沿处的一个以浮子吸合磁体为圆心的圆周上，其与托举磁环以同极性相对的方式上下相对，以形成支撑浮子的悬浮磁场。

所述浮子状态检测系统包括浮子状态传感器和浮子定位磁体；所述浮子状态传感器有若干个，分布在定子基座上的一个以定子吸合磁体为圆心的圆周上，并位于托举磁环的环圈内；所述浮子状态传感器用于检测浮子悬浮高度、浮子基座与定子基座之间的悬浮角度以及浮子基座相对于定子基座之间的静止或旋转状态；所述浮子定位磁体设置在浮子基座上的一个以浮子吸合磁体为中心的圆周上，且与定子基座上的浮子状态传感器上下相对。