[发明专利]一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将磁悬浮转台的永磁体等效为若干个互相独立的磁荷节点，将磁悬浮转台跑道线圈的载流区等效为若干个互不影响的电流节点；

步骤2、将磁荷节点与电流节点间的相互作用转换到同一坐标系下，进而将线圈与永磁体之间的相互作用转换为磁荷节点与电流节点的两两作用之和；

步骤3、通过FPGA配置磁荷节点与电流节点相互作用之和的数值计算，得到磁悬浮转台磁力模型；

步骤4、根据PID控制原理，以目标位置与磁悬浮转台位置的偏差为输入计算运动所需磁力与磁力矩大小，结合磁悬浮转台磁力模型，通过逆模型方法将磁力转换为转台运动所需驱动电流，实现磁悬浮转台运动的闭环控制。

2.根据权利要求1所述基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，其特征在于：步骤1的实现包括以下步骤：

步骤1.1、永磁体为矩形磁铁，矩形体的8个顶点为磁荷节点；

步骤1.2、跑道线圈的载流区为线圈中的2个长边矩形体，电流节点为2个通电区域中按一定规律分布的节点。

3.根据权利要求1所述基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，其特征在于：步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1、磁荷节点磁场计算；

通过磁悬浮转台在k时刻的位置p(k)＝(x_p(k),y_p(k),z_p(k))^T、姿态q(k)＝(α(k),β(k),γ(k))^T以及转台的尺寸信息，计算各磁荷节点激发出的磁场B(p)＝(B_x,B_y,B_z)^T：

其中，p_c(k)＝(x(k),y(k),z(k))^T＝f(p(k))为目标位置为原点的磁荷节点的位置矢量，由磁悬浮转台的位置与尺寸决定，B_r是永磁体的剩磁量，l是磁荷节点序号；

步骤2.2、电流节点处的电流密度计算公式：

其中i为电流节点序号，j为线圈编号；

步骤2.3、磁荷节点与电流节点的两两作用之和计算；

磁荷节点与电流节点间的相互作用为磁场与电流密度在空间上的矢量叉乘，进而得到节点间磁力与磁力矩的表达式为：

步骤2.4、线圈与永磁体之间的相互作用转换为磁荷节点与电流节点的两两作用之和的计算；

步骤2.4.1、将磁荷节点与电流节点间的相互作用转换到同一坐标系下计算：

其中，

步骤2.4.2、将线圈与永磁体之间的相互作用转换为磁荷节点与电流节点的两两作用之和：

获得各个磁荷节点在单个线圈节点产生的磁通量密度，叠加后再与电流密度进行叉乘；将单个线圈上全部的线圈节点叉乘结果进行叠加，得到总磁力和磁力矩：

其中，G代表永磁体阵列中磁荷节点数量，N代表线圈阵列中电流节点数量，w_i代表线圈节点对应的权重。

4.根据权利要求1所述基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，其特征在于：步骤3的实现包括以下步骤：

步骤3.1、通过FPGA配置磁荷节点与电流节点相互作用之和的数值计算：

将单个磁荷节点与电流节点分配到一条流水线上，总共需消耗2·G·N条流水线；

步骤3.2、磁悬浮转台磁力模型为：

其中，M代表跑道线圈的总数；

步骤3.3、将M条跑道线圈的磁力与力矩分配到2·G·N·M条流水线上，完成磁悬浮转台磁力模型的构建。

5.根据权利要求1所述基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，其特征在于：步骤4的实现包括以下步骤：

步骤4.1、运动所需磁力与磁力矩大小的计算；

以e(k)＝[e_x(k) e_y(k) e_z(k) e_α(k) e_β(k) e_γ(k)]^T为目标位置与磁悬浮转台位置在k时刻的偏差，根据PID控制原理，k时刻运动所需磁力与磁力矩大小为：

其中，K_x,1、K_x,2、K_x,3为平移运动的PID参数，K_α,1、K_α,2、K_α,3、K_γ,1、K_γ,2、K_γ,3为旋转运动的PID参数；

步骤4.2、运动所需驱动电流的计算；

通过逆模型方法将磁力转换为转台运动所需驱动电流：

其中，I(k)为磁悬浮转台在k时刻运动所需的驱动电流。