一種均勻電磁力場生成裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁液混浮空間微重力的地面模擬技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種均勻電磁力場生成裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮廣泛應(yīng)用于地面微重力效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)物體所受的電磁力與物體自身重力大小相等方向相反時(shí)，即可模擬空間失重效應(yīng)，其中電磁力主要是利用超導(dǎo)磁懸浮或者電磁懸浮產(chǎn)生的。這種地面微重力模擬主要應(yīng)用于生命科學(xué)研宄、蛋白質(zhì)晶體生長、合金分子/難混合金制作、納米磁性液體/流體特性研宄等。
[0003]關(guān)于磁懸浮系統(tǒng)的控制及其相應(yīng)的耦合性有過很多的研宄，但對于分布式電磁系統(tǒng)的時(shí)延和時(shí)變性沒有深入研宄，并且對用于陣列式空間微重力模擬的實(shí)時(shí)精確配平的電磁懸浮系統(tǒng)控制方法沒有深入研宄。本發(fā)明很好的解決了這些問題，實(shí)現(xiàn)了電磁懸浮系統(tǒng)在時(shí)延和時(shí)存在變條件下對懸浮體的實(shí)時(shí)精確配平，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動體在特定實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)任意一點(diǎn)的微重力效應(yīng)模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)大范圍空間分布式電磁系統(tǒng)產(chǎn)生均勻力場的裝置，提供一種均勻電磁力場生成方法，該方法通過具體的控制策略，實(shí)現(xiàn)給定實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)電磁力的恒定，以滿足空間微重力效應(yīng)地面模擬的要求。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種均勻電磁力場生成裝置，包括運(yùn)動體、位置測量系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)、開關(guān)控制柜、電源以及陣列式電磁鐵；控制計(jì)算機(jī)通過開關(guān)控制柜以及電源與陣列式電磁鐵相連，陣列式電磁鐵上放置有水箱，運(yùn)動體置于水箱內(nèi)，陣列式電磁鐵通電后在其上方形成電磁力場，水箱內(nèi)的運(yùn)動體處于陣列式電磁鐵上方所形成的電磁力場中，控制計(jì)算機(jī)通過控制電源來調(diào)控陣列式電磁鐵所產(chǎn)生的電磁場和運(yùn)動體上所受的電磁力，使運(yùn)動體懸浮于水箱的水中；控制計(jì)算機(jī)通過位置測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量運(yùn)動體的位置信息。
[0007]所述陣列式電磁鐵采用多個(gè)勵磁線圈單元構(gòu)成26X26陣列式電磁鐵，多個(gè)勵磁線圈單元布設(shè)于水平面內(nèi)，每個(gè)勵磁線圈單元的軸線方向相互平行且垂直于水平面。
[0008]所述勵磁線圈的形狀采用避免邊緣效應(yīng)并保證水平面磁場的均勻性和方向性的方形。
[0009]所述位置測量系統(tǒng)通過232通信方式將測得的運(yùn)動體位置信號傳輸給控制計(jì)算機(jī)。
[0010]所述控制計(jì)算機(jī)將工作區(qū)域控制信號通過“D/Ο模塊”傳輸給開關(guān)控制柜，將電流控制信號通過“D/A模塊”傳輸給電源。
[0011]所述運(yùn)動體采用形狀符合實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱A柱形永磁體。
[0012]一種均勻電磁力場生成方法，包括以下步驟:
[0013]步驟1:利用水的浮力克服運(yùn)動體的重力對運(yùn)動體進(jìn)行粗配平，粗配平后浮力和重力差為aQN，即F浮-mg = aQN，其中，m為運(yùn)動體質(zhì)量，單位為千克，g為重力加速度，aQ為常數(shù)，則空間微重力地面模擬實(shí)驗(yàn)需求整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的電磁力等于aQN ;
[0014]步驟2:根據(jù)電磁力的作用范圍結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求確定實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的標(biāo)定區(qū)間以及需要標(biāo)定的點(diǎn)，確定標(biāo)定精度；建立xyz三維坐標(biāo)系，X方向和I方向每隔0.05m標(biāo)定一點(diǎn)，z方向每隔1mm標(biāo)定一個(gè)點(diǎn)；水平運(yùn)動區(qū)間為1.3mX 1.3m，豎直運(yùn)動區(qū)間為0.3m ；
[0015]步驟3:給定水平位置信號和豎直高度信號，標(biāo)定該點(diǎn)過程中不再改變電磁陣列工作單元組，使電磁力等于％Ν，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)的定點(diǎn)懸浮，滿足微重力水平；
[0016]步驟4:采用位置測量系統(tǒng)測得運(yùn)動體當(dāng)前三維位置信號坐標(biāo)，將坐標(biāo)信號通過反饋信號通路發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)；
[0017]步驟5:控制計(jì)算機(jī)接受三維位置信號，根據(jù)水平位置信號X坐標(biāo)和y坐標(biāo)確定電磁陣列工作單元組幾何中心對應(yīng)運(yùn)動體幾何中心的12X12的電磁陣列工作單元組，發(fā)出開關(guān)控制信號；同時(shí)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)豎直位置信號z坐標(biāo)確定電壓控制信號；確定電壓控制信號；
[0018]步驟6:開關(guān)控制柜接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的開關(guān)控制信號，控制相應(yīng)繼電器開關(guān)動作；同時(shí)，電源接受控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的電壓控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流給電磁陣列工作單元組；
[0019]步驟7:根據(jù)開關(guān)控制柜的切換開關(guān)信號，相應(yīng)的12X12電磁陣列工作單元組位于接通狀態(tài)，接收電源提供的電流，產(chǎn)生電磁力；
[0020]步驟8:電磁力作用于運(yùn)動體，改變運(yùn)動體的三維位置，重復(fù)步驟4至步驟8，直到運(yùn)動體在所標(biāo)定的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定點(diǎn)懸??；
[0021 ] 步驟9:更換標(biāo)定點(diǎn)位置，重復(fù)步驟3至步驟8，在標(biāo)定區(qū)間的所有標(biāo)定點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定點(diǎn)懸浮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)間內(nèi)的均勻電磁力。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]本發(fā)明將永磁鐵置于運(yùn)動體下，配合下方勵磁單元產(chǎn)生懸浮力，下方勵磁單元由線圈組纏繞在電磁鐵鐵心構(gòu)成。勵磁單元采用陣列式排列法構(gòu)成電磁陣產(chǎn)生均勻磁場，交直流電源控制柜通過改變電流大小來控制磁場強(qiáng)度。
[0024]進(jìn)一步的，本發(fā)明永磁鐵的形狀使用符合實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱A柱形(與運(yùn)動體底面同形狀)，面積大小要求永磁鐵滿足后期仿真要求，電磁陣由勵磁單元陣列組合，勵磁單元由線圈纏繞鐵心組合而成，為了避免邊緣效應(yīng)并保證水平面磁場的均勻性和方向性，線圈形狀選擇方形。
[0025]本發(fā)明建立出軸向力恒定的陣列式均勻磁場，通過該方法建立的磁場能夠滿足米級范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)同一高度的軸向電磁力大小變化不超過I %，水平電磁力趨近于零。通過實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明所采用的控制方法可以達(dá)到如下實(shí)驗(yàn)效果(實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果):在重力粗配平達(dá)到99%的條件下，可以實(shí)現(xiàn)I X lO^m/s2 ( S卩I X I(T4g)的微重力效應(yīng)模擬水平。
[0026]本發(fā)明的均勻電磁力場生成方法，產(chǎn)生磁場的主要部件為永磁鐵和電磁線圈陣，電磁陣列對懸浮體通過吸引力作用。為了保證運(yùn)動體在可運(yùn)動范圍邊緣依舊可以獲得恒定軸向電磁力，要求電磁陣排列時(shí)覆蓋可運(yùn)動范圍之外還增加20 %的面積，這樣便得到靜態(tài)懸浮的磁場。
[0027]進(jìn)一步的，本發(fā)明工作區(qū)域?yàn)?2X12分布的勵磁線圈。電磁陣覆蓋區(qū)域?yàn)?6X 26分布的勵磁線圈，實(shí)驗(yàn)中，只有工作區(qū)域線圈通電，其它線圈沒有電流。懸浮體的重力浮力差恒定，通過改變電流大小來控制電磁力使得不同高度下懸浮體所受電磁力相等，利用紅外跟蹤裝置可確定實(shí)驗(yàn)物體的高度，從而求出所需電磁力大小進(jìn)而求得電流大小，通過交直流電源控制柜給出所需電流，即可實(shí)現(xiàn)不同高度下恒定的電磁力。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明中陣列式電磁一永磁控制系統(tǒng)硬件框圖；
[0029]圖2為本發(fā)明電磁陣列工作單元控制原理框圖；
[0030]圖3為本發(fā)明中陣列式電磁一永磁懸浮系統(tǒng)模型示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明中標(biāo)定電流控制信號數(shù)據(jù)表算法結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖5為本發(fā)明中定點(diǎn)懸浮控制效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0034]參見圖1，本發(fā)明均勻電磁力場生成裝置，包括運(yùn)動體2、位置測量系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)、開關(guān)控制柜、電源以及陣列式電磁鐵I ;控制計(jì)算機(jī)通過開關(guān)控制柜以及電源與陣列式電磁鐵I相連，陣列式電磁鐵I上放置有水箱3，運(yùn)動體2置于水箱3內(nèi)，陣列式電磁鐵I通電后在其上方形成電磁力場，水箱3內(nèi)的運(yùn)動體2處于陣列式電磁鐵I上方所形成的電磁力場中，控制計(jì)算機(jī)通過控制電源來調(diào)控陣列式電磁鐵I所產(chǎn)生的電磁場和運(yùn)動體2上所受的電磁力，使運(yùn)動體2懸浮于水箱3的水中；控制計(jì)算機(jī)通過位置測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量運(yùn)動體的位置信息。
[0035]本發(fā)明底部是一組26X26的電磁陣列，通過控制開通狀態(tài)下電磁線圈中的電流大小，可以調(diào)節(jié)電磁鐵與懸浮運(yùn)動體之間的磁力，從而控制運(yùn)動體的運(yùn)動。通過控制其在水中各個(gè)高度的穩(wěn)定，得到相應(yīng)的標(biāo)定電流，這個(gè)電流能在滿足實(shí)驗(yàn)精度情況下補(bǔ)償配平后運(yùn)動體所受浮力與重力的力差，從而實(shí)現(xiàn)空間微重力的地面模擬。
[0036]本發(fā)明均勻電磁力場生成方法，包括以下步驟:
[0037]運(yùn)動體在電磁力、重力、浮力等的作用下，穩(wěn)定在設(shè)定的坐標(biāo)位置；通過位置檢測系統(tǒng)測量運(yùn)動體的位置，給出運(yùn)動體的三維坐標(biāo)位置；控制計(jì)算機(jī)接收運(yùn)動體的水平位置信號，確定陣列式電磁鐵的工作區(qū)域，并根據(jù)運(yùn)動體的軸向位置信號，通過相應(yīng)的控制算法計(jì)算出電源的控制信號的大??；控制開關(guān)柜根據(jù)電磁線圈工作區(qū)域切換的控制信號，控制相應(yīng)接觸器開關(guān)的通斷，使磁場工作區(qū)域跟蹤運(yùn)動體的運(yùn)動；電源根據(jù)控制器運(yùn)算的控制信號大小，輸出對應(yīng)的電流；電源輸出的電流輸入電磁鐵，電磁鐵在電流的作用下產(chǎn)生磁場，該磁場與運(yùn)動體中的永磁鐵相互作用，產(chǎn)生電磁力，補(bǔ)償運(yùn)動體所受浮力與重力的力差。
[0038]本發(fā)明利用多個(gè)勵磁線圈單元形成了勵磁線圈陣，緊密布設(shè)于水平面內(nèi)，每個(gè)單元的軸線方向相互平行且垂直于水平面；多極耦合磁場提供的電磁力，滿足同高度無控狀態(tài)下任意點(diǎn)軸向(與重力平行的方向)電磁力相同，水平電磁力基本為零；本發(fā)明采用的是液磁混合懸浮法，利用液體對處于其中的物體產(chǎn)生的浮力克服物體的大部分重力，剩余非常小部分的重力通過電磁力微調(diào)克服，以實(shí)現(xiàn)微重力效應(yīng)的模擬；位置檢測系統(tǒng)測得運(yùn)動體的三維坐標(biāo)和速度信號，采用232通信方式，將位置檢測系統(tǒng)測得的運(yùn)動體位置信號傳輸給控制計(jì)算機(jī)；控