[发明专利]一种六自由度磁悬浮转台、控制系统及方法

权利要求书

1.一种控制系统的控制方法，其特征在于：控制方法用于一种六自由度磁悬浮转台的控制系统，控制系统用于控制六自由度磁悬浮转台，控制系统包括PC端、实时控制器、数模转换器、功率放大器、三个上端面光电传感器(6)、三个下端面光电 传感器(13)、数据采集卡，所述实时控制器采用DSP或ARM；

六自由度磁悬浮转台包括一个平台基座(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；

方法包括：

步骤S1:传感系统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系统输出的电压信号，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。

2.根据权利要求1中所述的一种控制系统的控制方法，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2中所述的一种控制系统的控制方法，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3中所述的一种控制系统的控制方法，其特征在于：线圈的个数与磁铁的个数为1：3；所述磁铁阵列(9)采用强磁材料牌号为N48烧结铷铁硼制成，磁铁阵列(9)按照圆型的Halbach结构进行排布；所述线圈阵列(8)由210匝直径0.6mm的漆包铜线绕制而成。

5.根据权利要求4中所述的一种控制系统的控制方法，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，处于磁场环境下的线圈为串联形式。