[发明专利]一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统

说明书

一、技术领域：

本发明涉及一种倒立摆系统，具体的说是一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统

二、背景技术：

倒立摆系统是一个非最小相位、多变量、绝对不稳定的非线性系统，因此倒立摆控制系统是控制理论应用的一个典型范例，其控制方法在航天和机器人领域都有着广泛应用。申请号为201010151221.0，名称为：“一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统”的专利申请，公开了一种利用飞轮旋转产生力矩控制倒立摆平衡的倒立摆系统。该倒立摆系统采用在倒立摆顶端安装一个具有一定质量的旋转飞轮，通过飞轮旋转产生的反力矩使倒立摆发生偏转。

当采用上述现有飞轮倒立摆时，飞轮旋转时产生的力矩用公式表示为：T’=Jε²，其中J为飞轮的转动惯量，ε为飞轮旋转的角加速度。从公式中可以看出：1、当飞轮角加速度ε一定时，飞轮旋转时产生的力矩T’与转动惯量J成比例变化，因此想要增加力矩只能增加飞轮的转动惯量J，即增加飞轮的质量或体积，因此就会使系统变得笨重冗余。2、当飞轮的转动惯量J一定时，飞轮旋转时产生的力矩T’与飞轮旋转的角速度平方ε²成正比，因此想要增加力矩T’只能增加飞轮旋转的角加速度ε。但当驱动飞轮的电机达到其最高转速时，飞轮的角加速度ε为零，此时力矩T’=0，飞轮失去对倒立摆杆的力矩控制；同时，当驱动飞轮的电机以加速度ε的运行时，其速度由零到最高速只有很短时间（以瑞士Maxon直流电机为例，其一般在15ms），因此飞轮旋转时产生的力矩T’只能作用很短时间。

因此，这种通过控制飞轮转动惯量和飞轮角加速度来控制反作用力矩的现有倒立摆依靠角加速度产生的力矩很小，同时要想产生更大的力矩只能通过增加旋转飞轮的质量和半径，但是这样做又增加整个倒立摆系统的质量和体积，从而使系统需要更大的力矩来驱动。因此该飞轮倒立摆系统的力矩与摆动角度范围均受到限制，不利于其在相关场合内的应用。

三、发明内容：

为了克服现有飞轮倒立摆力矩小、摆动角度范围小等问题，本发明提供了一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统，由金属圆盘飞轮在电磁铁产生的磁场中旋转切割磁力线而产生涡流，金属圆盘飞轮上的涡流产生反作用磁场，该磁场与电磁铁的磁场相互作用产生力矩，金属圆盘飞轮所在的倒立摆在该力矩的作用下发生摆动，通过控制金属圆盘飞轮的旋转速度、电磁铁的励磁电流和电磁铁的位置可以对产生的力矩进行控制，从而实现对倒立摆的控制。

本发明利用电磁涡流效应产生力矩的具体原理如下：

根据安培定律和楞次定律，当金属圆盘飞轮在电磁铁的磁场中旋转时，金属圆盘飞轮内产生电涡流，涡流产生的反作用磁场与电磁铁的电磁场相互作用产生力矩。用公式表示为：T=T_iI²ω,其中T_i为电磁常数，由电磁铁芯和金属圆盘飞轮的导磁率、导电率和气隙宽度等参数决定，I为电磁线圈的励磁电流，ω为金属圆盘飞轮的旋转角速度。从公式中可以看出：1、力矩T的大小与电磁铁励磁电流平方I²的成比例变化。2、当电磁铁励磁电流I一定时，电磁铁产生的磁场强度一定，力矩T的大小与圆盘的角速度ω成比例变化。

此方法具有控制力矩大、力矩作用时间长、控制方便和结构轻巧等优点。

本发明的技术方案是：

一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统，其特征在于：包括飞轮倒立摆机构、电磁铁驱动摆机构和量角仪限位机构。

飞轮倒立摆机构包括：倒立摆支座2、底端套筒3、倒立摆杆4、顶端套筒5、电机座6、伺服电机8和金属圆盘飞轮9。倒立摆杆4底端与底端套筒3固定连接，底端套筒3与倒立摆支座2连接，底端套筒3可在倒立摆支座2内摆动，倒立摆支座2底端与基座1固定，倒立摆杆4上端固定有顶端套筒5，顶端套筒5与电机座6固定连接，电机座6上安装有伺服电机8，伺服电机8的轴上安装有金属圆盘飞轮9，金属圆盘飞轮9所在平面与倒立摆杆4摆动的平面平行。