[发明专利]一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动方法与装置

权利要求书

1.一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动装置，其特征在于：包括稳定放置的电磁驱动器定位支架(103)与条形支撑脚(101、102)；位于电磁驱动器定位支架(103)顶端与底端的两个励磁绕组电磁驱动器(104、105)；浮子(108)；设置于靠近浮子(108)端面的两个电磁驱动器中心位置上的位置传感器(106、107)；为电磁驱动器励磁绕组提供电流的功率放大器(109、110)；检测励磁绕组电流值的电流传感器(111、112)；控制功率放大器(109、110)、电流传感器(111、112)、励磁绕组、位置传感器(106、107)的协调配合的控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动装置，其特征在于：所述浮子由钕铁硼磁性材料和检测、运输、清理等功能的装置制成。

3.根据权利要求1所述的一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动装置，其特征在于：两个所述励磁绕组电磁驱动器(104,105)安装位置相对于电磁驱动器定位支架(103)上下对称，并且两个电磁驱动器(104,105)的竖直轴线重合，并垂直于电磁驱动器定位支架(103)的支撑面，电磁驱动器定位支架(103)由两个条形定位脚(101,102)进行支撑。

4.根据权利要求1所述的一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动装置，其特征在于：所述位置传感器(106,107)选用线性霍尔传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动装置，其特征在于：所述浮子(108)的运动轨迹与电磁驱动器(104,105)竖直轴线重合，运动形式为单维度双向的悬浮运动。

6.一种基于力失衡驱动的单维度悬浮运动方法，使用如权利要求1-5任意一项所述的基于力失衡驱动的单维度悬浮运动装置，其特征在于：包括以下过程：

S1:控制器(113)、位置传感器(106,107)与电流传感器(111,112)上电，电磁驱动器(104,105)连接电源，将浮子(108)放入两个电磁驱动器(104,105)中间停留片刻作为浮子悬浮的初始位置；

S2:两个电磁驱动器(104,105)上的位置传感器(106,107)检测浮子(108)到两个电磁驱动器(104,105)端面的位置信号，并将采集到的位置信号传输给控制器(113)，通过功率放大器(109,110)自动对两个电磁驱动器(104,105)上励磁绕组的电流大小和方向进行调节，改变浮子(108)周围的磁场强度，浮子(108)受到的电磁吸引力抵消自身重力产生力失衡状态，从而使浮子(108)悬浮在此初始位置；

S3:未施加反馈控制的磁悬浮系统为开环系统，系统提供给浮子的机械位移刚度为负值，系统不稳定，当浮子(108)的悬浮位置受到外界的扰动时由于受到的电磁力改变而使浮子(108)无法保持稳定的悬浮状态；为保证浮子(108)稳定悬浮，通过电流传感器(111,112)采集励磁绕组上的电流信息并对控制器(113)进行反馈，结合PID控制算法自动调节电磁驱动器(104,105)励磁绕组上的电流；电流的比例控制部分实际所提供的电磁力用于抵消原位移负刚度导致的负恢复力，并将磁悬浮系统调节为具有一定的正刚度，电流的积分控制使电流输出量与系统的积分成正比，从而消除控制系统的稳态误差，电流的微分控制部分相当于使系统具有足够的正阻尼，使系统具有足够的稳定性，从而使电流产生足够的恢复力，使浮子(108)稳定悬浮在单维度上的目标位置，实现单维度上可控区域内任意位置的稳定悬浮；

S4:根据单维度上运动位移的控制需求设定，控制器(113)通过PID控制反馈调节自动调节功率放大器(109,110)的电流输出，从而逐步改变电磁驱动器(104,105)上励磁绕组的电流大小，改变浮子(108)周围的磁场强度，进而改变电磁驱动器(104,105)对浮子(108)的吸力大小并逐步达到目标吸引力，由于浮子(108)重力不变，使得浮子(108)在允许的单步运动步长条件下在预定的目标位置平衡，实现浮子(108)在可控区域内的单维度双向运动。