CN110932602A - 一种六自由度磁悬浮转台、控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度磁悬浮转台、控制***及方法,包括光学隔振平台、水平支撑架、竖直支撑架、平台基座、线圈支架、线圈阵列、磁铁阵列、圆形载物台、椭圆目标物、线圈四周光电传感器及其支架、线圈下方的光电传感器及其支架组成。本发明具有结构简单、运动自由度多、承载刚度高、推力密度大、回转精度高、真空兼容性的特点，可广泛应用于微机械加工、雷达、光学天线跟踪***等领域。

Description

一种六自由度磁悬浮转台、控制***及方法

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，具体涉及到一种高精度六自由度磁悬浮转台，可用于微机械加工、航天飞行器仿真转台等。

背景技术

精密转台在现代科学和生产中有着重要的应用价值，例如微机械加工、航天器仿真测试平台、激光通信光学天线跟踪***等。这种旋转工作台是一种高精密设备，要求摩擦力小、定位精度高、响应速度快、结构刚度高。现存的精密转台几乎都只能实现单自由度的旋转运动，限制了精密转台的应用使用范围。尤其在于半导体加工、触觉反馈***等领域，定位平台不仅需要大范围的角度转动，还需要一定范围内的平移运动。常见的多轴运动往往由多个单自由度运动执行器合成而得到，这样不仅增加了***设计的复杂性和总体惯量，也降低了***的响应频率和微动分辨率。利用磁悬浮技术可以得到能够多自由度运动的一体化装置，克服了层叠式驱动结构的缺点，并且悬浮技术可以消除传统机械转台动子与定子间的摩擦，具有零摩擦、无后坐力、隔振、清洁、结构紧凑的特点，十分适合于精密制造和生产领域。

发明内容

为了解决现有旋转工作台结构复杂、运动自由度少、摩擦力大、平台刚度低和推力密度低等缺点，本发明提出了一种中子对称的磁悬浮转台，易于制造装配、密集的线圈阵列排布增大了推力密度与平台刚度，并且该转台具备多自由度运动的能力，可广泛应用于微铣削、光学天线跟踪***等多种领域。

一种六自由度磁悬浮转台，其特征在于：包括一个平台基座、设置在平台基座上的圆形载物台；圆形载物台顶部通过三个螺纹孔固定住椭圆目标被测物，使椭圆目标物质心位于载物台的中心轴上,圆形载物台底部有围绕中心轴呈圆周型排布的矩形凹槽，若干矩形磁铁阵列镶嵌在矩形凹槽中；位于磁铁阵列下方的线圈阵列通过弓形线圈支架固定在平台基座上；沿线圈阵列周向设有若干上端面传感器支架以及固定在上端面传感器支架上的上端面光电传感器，上端面传感器支架固定在平台基座的上端面；平台基座的下端面并位于线圈阵列下方设有下端面传感器支架以及固定在下端面传感器支架上的下端面光电传感器；方形基座通过竖直支撑架和水平支撑架固定到光学隔振平台上。

在上述的六自由度磁悬浮转台，弓形线圈支架为一种中间空心的弓形部件，弓形部件包括矩形件一和矩形件二，矩形件一四周抛光为圆弧形的倒角，用于绕制线圈，连接件两端将矩形件一和矩形件二连接固定，矩形件二固定在平台基座的螺纹孔上。

在上述的六自由度磁悬浮转台，线圈阵列和磁铁阵列均呈圆周型结构排布，实现转台绕竖直方向的大角度转动控制；圆周型线圈阵列的外径大于圆周型磁铁阵列的外径，保证载物台平移或旋转时，磁铁阵列均能处于线圈阵列的内部,矩形凹槽内壁设有环氧树脂层,若干矩形磁铁阵列与环氧树脂层过盈配合固定在矩形凹槽内。

在上述的六自由度磁悬浮转台，线圈的个数与磁铁的个数为1：3；所述磁体阵列采用强磁材料牌号为N48烧结铷铁硼制成，磁体阵列按照圆型的Halbach结构进行排布；所述无铁芯跑道型线圈由210匝直径0.6mm的漆包铜线绕制而成。

在上述的六自由度磁悬浮转台，由于磁铁阵列和线圈阵列均成周期性排布，处于类似磁场环境下的线圈为串联形式。

在上述的六自由度磁悬浮转台，所述的方形基座中心有一个大圆孔，下端面光电传感器发射出的激光能够穿过大圆孔对磁悬浮转台的位置进行测量；围绕基座中心轴，设有用于安装弓形线圈支架的螺纹孔。

在上述的六自由度磁悬浮转台，方形平台基座厚度不低于15mm；线圈下方的传感器支架包括相互垂直固定的矩形模块一和矩形模块二组成，矩形模块二为铝制挡板，用来固定光电传感器，矩形模块一连接铝制挡板并将其固定到光学隔振平台上。

在上述的六自由度磁悬浮转台，所述的光电传感器选取扩散反射型的激光传感器，并且内部具备激光三角测量算法，磁悬浮平台上不需要再安装额外的激光反射镜。

一种用于六自由度磁悬浮转台的控制***，其特征在于：包括依次连接的PC端、实时控制器(DSP或ARM)、数模转换器、功率放大器、由三个上端面光电传感器、三个下端面传感器、数据采集卡，所述实时控制器采用DSP或ARM；

一种控制***的控制方法，其特征在于：包括：

步骤S1:传感***通过上端面和下端面光电传感器将磁悬浮转台的位置信息转化为相应的电压信号；

步骤S2:数据采集卡获取传感***输出的电压信号，将电压信号转换为数字信号，再将信号传递给实时控制器；

步骤S3:实时控制器对数据采集卡传递来的信号进行分析得出转台当前的位置信息，将设定的目标位置与当前位置信息比较得到误差信息，进而通过PID或者其它的控制方法求解出转台达到目标位置所需的磁力和磁力矩，再将此磁力和磁力矩代入电流-动力传递矩阵中即可求得所需的电压调节信号，最终将此信号传递给数模转换器；整个控制算法实现过程可表达为如下公式：

v是实时控制器计算出来的电压控制信号，A_s是功率放大器的跨导增益，Γ是电流-动力传递矩阵，代表了各线圈中驱动电流与磁悬浮转台所受磁力和磁力矩间的转换关系，Γ^T·(Γ·Γ^T)^-1是Γ的伪逆，w_desire是一维数组，包含了磁悬浮转台达到目标位置所需的磁力和磁力矩，mg是磁悬浮转台空载情况下动子部分的重量；

步骤S4:数模转换器出来的电压信号再经过功率放大电路产生可调恒流源来激励线圈阵列，此时磁铁阵列和线圈阵列之间便会产生的电磁力，使磁悬浮转台产生平移或旋转运动；

步骤S5:实时控制器还通过USB或串口与PC端进行通信，实现良好的人机交互功能；磁悬浮转台的姿态信息实时显示在PC端，并且转台的目标位置、运动轨迹也可在PC端进行设置、更改。

本发明与现有技术相比的优点在于：不同与以往的轴承式转台，本发明采用圆周型Halbach磁铁阵列与无铁芯圆周型线圈阵列相结合的方式构建了磁悬浮转台，不仅能实现单轴高速旋转，还能进行一定范围内的平移运动。整体结构简单、易于制造、具有较高的功率密度，并且控制精度高，响应速度快，承载能力强，能够适应更多的工业应用环境。

附图说明

图1为本发明所述的磁悬浮转台的***视图。

图2为本发明所述的载物台和磁铁阵列的***视图。

图3为本发明所述的磁体阵列的磁化方向排布图。

图4为本发明所述单个无铁芯线圈与线圈支架结构图。

图5为本发明所述的磁悬浮转台定子部分的俯视图。

图6为本发明所述的方形基座的结构示意图。

图7为本发明所述的线圈下方光电传感器与传感器支架的结构图。

图8为本发明所述的磁悬浮转台***的整体结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，光学隔振平台1、水平支撑架2、竖直支撑架3、方形基座4、上端面传感器支架5、上端面光电传感器6、线圈支架7、线圈阵列8、永磁体阵列9、圆形载物台10、椭圆目标物11、下端面传感器支架12、下端面光电传感器13。

实施例：

如图1和图2所示，本发明的六自由度磁悬浮转台主要由椭圆目标物11、圆形载物台10、永磁体阵列9、线圈支架7、线圈阵列8、方形基座4、上端面传感器支架5和上端面光电传感器6、下端面传感器支架12和下端面光电传感器13、竖直支撑架3、水平支撑架2、光学隔振平台1组成。其中椭圆目标物11、圆形载物台10、呈圆周型排布的永磁体阵列9为***的动子部分，而线圈支架7、线圈阵列8、方形基座4、竖直支撑架3、水平支撑架2、光学隔振平台1构成***的定子部分。***的动子和定子之间通过电磁力保持稳定的无机械接触的悬浮状态。

上述的水平支撑架2、竖直支撑架3、平台基座4、线圈支架7、载物台10、椭圆目标物11均采用不含铁性物质的铝合金6061制作，需进行表面处理，使用喷砂、阳极氧化-本色处理、无毛刺飞边处理措施。铝制材料可以保证磁悬浮转台在拥有高刚度的情况下保持较轻的重量。

所述的线圈阵列8和磁铁阵列9均呈圆周型结构排布，这种中心对称的紧密结构有利于转台绕竖直方向进行大角度旋转，并增强***的功率密度。

所述的圆周型线圈阵列8的外径应大于圆周型磁铁阵列9的外径，保证载物台10平移或旋转时，磁铁阵列9均能处于线圈阵列8的内部，方面后续的建模与控制。

所述的线圈8个数与磁铁9的个数为1:3的关系，便于后面的悬浮控制，本发明中给出的磁铁为72个矩形磁铁，线圈为24个跑道型线圈。

所述的磁体阵列9采用烧结铷铁硼，牌号为N48或者更高牌号，以得到较高的磁力输出密度。

具体的，所述的Halbach磁体阵列9的组成单元为一个矩形磁铁，矩形磁铁的尺寸、个数需根据实际的应用场景进行设计，保证每块矩形磁铁的磁化强度一致，最终这些矩形磁铁通过环氧树脂粘接在圆形载物台底部10的凹槽内。

如图3所示，永磁铁阵列9仿照Halbach阵列模式进行排布。×和·均表示磁铁的磁化方向，其中×指向图纸朝里，·指向图纸朝外。磁铁按照图中磁化方向进行排布，会使靠近线圈一侧的磁场强度增强，而使靠近载物平面的磁场强度得到减弱，这样既可提高***的输出磁力密度，又尽可能减少磁场对所载物体的影响。

如图4所示，弓形线圈支架7为一种中间空心的弓形部件，弓形部件包括矩形件一7-3和矩形件二7-1，矩形件一7-3四周抛光为圆弧形的倒角，用于绕制线圈，连接件7-2两端将矩形件一7-3和矩形件二7-1连接固定，矩形件二7-1固定在平台基座的螺纹孔上。

所述的线圈阵列8为210匝直径为0.6mm的漆包铜线绕制而成，铜线直径越大越好，能获得更大的载流能力。线圈的匝数越多越能提升***的电流密度。但线圈直径和匝数的选取之间存在一个矛盾的关系，最终需要根据实际使用需求，确定合理的线圈直径和线圈匝数，使设计的线圈有较大的载流能力和较高的电流密度。

如图5所示，所述的线圈阵列8，按照一定的规则进行串联组合，二十四个线圈可以分为八组：二十四个线圈可以分为八组：组一(线圈1,线圈5,线圈9)，组二(线圈13,线圈17,线圈21)，组三(线圈3,线圈7,线圈11)，组四(线圈15,线圈19,线圈23)，组五(线圈2,线圈6,线圈10)，组六(线圈14,线圈18,线圈22)，组七(线圈4,线圈8,线圈12)，组八(线圈16,线圈20,线圈24)，这种分组可以简化后续的磁力建模和控制过程。

如图6所示，所述的水平支撑架2通过定位孔安装在光学隔振平台1上；所述的竖直支撑架3通过定位孔与水平支撑架2紧密固定在一起；所述的方形基座4通过定位孔牢牢与竖直支撑架3装配在一起。

进一步的，方形平台基座4厚度不可低于15mm,需保持较大的结构刚度与硬度。

所述的平台基座4中心有一个大圆孔，方便线圈下方的传感器13进行激光测距。围绕基座中心轴，设有用于安装线圈支架7的螺丝孔，螺丝孔的个数与位置根据线圈支架7的尺寸选取，保证线圈支架7牢固地装配在基座4上。

平台基座4上的所有螺丝孔需要一次性加工到位，不可多次重复返修。平台基座4上螺丝孔的加工误差直接关系到磁悬浮转台的旋转性能。

竖直支撑架3的高度应根据选取得下端面光电传感器13测量范围进行调整。方形基座4的边长需要根据上端面光电传感器6测量指标进行选取。

如图7所示，线圈下方的传感器支架12包括相互垂直固定的矩形模块一12-1和矩形模块二12-2组成，矩形模块二12-2为铝制挡板，用来固定光电传感器，矩形模块一12-1连接铝制挡板并将其固定到光学隔振平台上。

如图8所示，磁悬浮转台***主要由PC端、实时控制器(DSP或ARM)、数模转换器、功率放大器、激励线圈8、Halbach磁体阵列9、传感***、数据采集卡等构成。传感***为三个水平光电传感器6和三个竖直光电传感器13组成，可以测量转台六个方向的姿态信息。姿态信息反馈到实时控制器中进行处理，并输出相应的线圈驱动信号，从而形成一个闭环反馈***。

具体实施时，一种基于磁悬浮转台的控制方法包括如下步骤：

步骤S1:传感***通过上端面传感器6和下端面光电传感器13将磁悬浮转台的位置信息转化为相应的电压信号。

步骤S2:数据采集卡获取传感***输出的电压信号，将电压信号转换为数字信号，再将信号传递给实时控制器。

步骤S3:实时控制器对数据采集卡传递来的信号进行分析得出转台当前的位置信息，将设定的目标位置与当前位置比较得到误差信息，进而通过PID或者其它的控制方法求解出转台达到目标位置所需的磁力和磁力矩，再将此磁力和磁力矩代入电流-动力传递矩阵中即可求得所需的电压调节信号，最终将此信号传递给数模转换器。整个控制算法实现过程可表达为如下公式：

v是实时控制器计算出来的电压控制信号，A_s是功率放大器的跨导益，Γ是电流-动力传递矩阵，代表了各线圈中驱动电流与磁悬浮转台所受磁力和磁力矩间的转换关系，Γ^T·(Γ·Γ^T)^-1是Γ的伪逆，w_desire是一维数组，包含了磁悬浮转台达到目标位置所需的磁力和磁力矩，mg是磁悬浮转台空载情况下动子部分的重量。

步骤S4:数模转换器出来的电压信号再经过功率放大电路产生可调恒流源来激励线圈阵列8，此时磁铁阵列9和线圈阵列8之间便会产生的电磁力，使磁悬浮转台产生平移或旋转运动。

步骤S5:实时控制器还通过USB或串口与PC端进行通信，实现良好的人机交互功能。磁悬浮转台的姿态信息实时显示在PC端，并且转台的目标位置、运动轨迹也可在PC端进行设置、更改。

本行业的相关人员应知，以上所述仅为本发明的典型实施例，任何依据本发明技术实质所作的实施例均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种六自由度磁悬浮转台，其特征在于：包括一个平台基座(4)、设置在平台基座(4)上的圆形载物台(10)；圆形载物台(10)顶部通过三个螺纹孔固定住椭圆目标被测物(11)，使椭圆目标物(11)质心位于载物台(10)的中心轴上,圆形载物台(10)底部有围绕中心轴呈圆周型排布的矩形凹槽，若干矩形磁铁阵列(9)镶嵌在矩形凹槽中；位于磁铁阵列(9)下方的线圈阵列(8)通过弓形线圈支架(7)固定在平台基座(4)上；沿线圈阵列(8)周向设有若干上端面传感器支架(5)以及固定在上端面传感器支架(5)上的上端面光电传感器(6)，上端面传感器支架(5)固定在平台基座(4)的上端面；平台基座(4)的下端面并位于线圈阵列(8)下方设有下端面传感器支架(12)以及固定在下端面传感器支架(12)上的下端面光电传感器(13)；方形基座(4)通过竖直支撑架(3)和水平支撑架(2)固定到光学隔振平台(1)上。

2.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：弓形线圈支架(7)为一种中间空心的弓形部件，弓形部件包括矩形件一(7-3)和矩形件二(7-1)，矩形件一(7-3)四周抛光为圆弧形的倒角，用于绕制线圈，连接件(7-2)两端将矩形件一(7-3)和矩形件二(7-1)连接固定，矩形件二(7-1)固定在平台基座的螺纹孔上。

3.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：线圈阵列(8)和磁铁阵列(9)均呈圆周型结构排布，实现转台绕竖直方向的大角度转动控制；圆周型线圈阵列(8)的外径大于圆周型磁铁阵列(9)的外径，保证载物台平移或旋转时，磁铁阵列(9)均能处于线圈阵列(8)的内部,矩形凹槽内壁设有环氧树脂层,若干矩形磁铁阵列(9)与环氧树脂层过盈配合固定在矩形凹槽内。

4.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：线圈的个数与磁铁的个数为1：3；所述磁体阵列(9)采用强磁材料牌号为N48烧结铷铁硼制成，磁体阵列(9)按照圆型的Halbach结构进行排布；所述无铁芯跑道型线圈(8)由210匝直径0.6mm的漆包铜线绕制而成。

5.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：由于磁铁阵列(9)和线圈阵列(8)均成周期性排布，处于类似磁场环境下的线圈为串联形式。

6.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：所述的方形基座(4)中心有一个大圆孔，下端面光电传感器(13)发射出的激光能够穿过大圆孔对磁悬浮转台的位置进行测量；围绕基座(4)中心轴，设有用于安装弓形线圈支架(7)的螺纹孔。

7.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：方形平台基座(4)厚度不低于15mm；线圈下方的传感器支架(12)包括相互垂直固定的矩形模块一(12-1)和矩形模块二(12-2)组成，矩形模块二(12-2)为铝制挡板，用来固定光电传感器，矩形模块一(12-1)连接铝制挡板并将其固定到光学隔振平台上。

8.根据权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台，其特征在于：所述的光电传感器(6)、(13)选取扩散反射型的激光传感器，并且内部具备激光三角测量算法，磁悬浮平台上不需要再安装额外的激光反射镜。

9.一种用于权利要求1中所述的六自由度磁悬浮转台的控制***，其特征在于：包括依次连接的PC端、实时控制器(DSP或ARM)、数模转换器、功率放大器、由三个上端面光电传感器(6)、三个下端面传感器(13)、数据采集卡，所述实时控制器采用DSP或ARM。

10.一种权利要求9中所述的控制***的控制方法，其特征在于：包括：

步骤S1:传感***通过上端面和下端面光电传感器(6)、(13)将磁悬浮转台的位置信息转化为相应的电压信号；

步骤S2:数据采集卡获取传感***输出的电压信号，将电压信号转换为数字信号，再将信号传递给实时控制器；

步骤S3:实时控制器对数据采集卡传递来的信号进行分析得出转台当前的位置信息，将设定的目标位置与当前位置信息比较得到误差信息，进而通过PID或者其它的控制方法求解出转台达到目标位置所需的磁力和磁力矩，再将此磁力和磁力矩代入电流-动力传递矩阵中即可求得所需的电压调节信号，最终将此信号传递给数模转换器；整个控制算法实现过程可表达为如下公式：

v是实时控制器计算出来的电压控制信号，A_s是功率放大器的跨导增益，Γ是电流-动力传递矩阵，代表了各线圈中驱动电流与磁悬浮转台所受磁力和磁力矩间的转换关系，Γ^T·(Γ·Γ^T)^-1是Γ的伪逆，w_desire是一维数组，包含了磁悬浮转台达到目标位置所需的磁力和磁力矩，mg是磁悬浮转台空载情况下动子部分的重量；

步骤S4:数模转换器出来的电压信号再经过功率放大电路产生可调恒流源来激励线圈阵列(8)，此时磁铁阵列(9)和线圈阵列(8)之间便会产生的电磁力，使磁悬浮转台产生平移或旋转运动；

步骤S5:实时控制器还通过USB或串口与PC端进行通信，实现良好的人机交互功能；磁悬浮转台的姿态信息实时显示在PC端，并且转台的目标位置、运动轨迹也可在PC端进行设置、更改。

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