[发明专利]一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法

说明书

本发明涉及磁悬浮技术，具体涉及一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，将磁悬浮转台的永磁体阵列等效为若干个相互独立的磁荷节点，磁悬浮运动执行器的线圈阵列等效为若干个在载流区域内的线圈节点，永磁体阵列与线圈阵列之间的相互作用等效为磁荷节点与线圈节点的两两作用之和构建高度并行化的磁力模型，并基于FPGA完成了模型的流水线配置实现实时计算。同时，基于PID控制原理，通过逆模型方法将运动磁力转换为驱动电流完成磁悬浮转台的闭环控制。该控制方法解决了现有技术中磁悬浮转台模型的计算精度和效率较低、通用性较差，运动控制器实时性难以保障的问题。该方法通用性强，利于推广，同时提高了磁悬浮转台的定位精度。

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，特别涉及一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法。

背景技术

磁悬浮技术具有非接触式的、无污染、多自由度和长行程特性，可以为许多运动系统实现出色的性能，例如精确定位、操纵、悬浮、和触觉交互。几十年来，磁悬浮的研究引起了众多研究者的关注，并提出了各种磁悬浮运动系统。通常，这些磁悬浮运动系统是使用洛伦兹力或电磁力以及动磁设计实现的。线圈设计被提议用于具有不同要求的应用。此外，磁悬浮系统的运动范围从平移轴和旋转轴的短行程扩展到无限行程。目前，已有很多商用有限元软件针对传统旋转或者平面电机的输出磁力、磁力矩给出了通用解决方法，但将其用于求解磁悬浮运动执行器输出磁力时，通常需要计算三维磁场模型，其计算精度和效率都将大大下降，不利于实时控制器的设计。

为了计算磁悬浮运动执行器的输出磁力和磁力矩，电机系统中永磁体阵列所激发的空间磁场分布是磁力、磁力矩的计算基础。借助麦克斯韦方程组可以获得空间磁场的通用表达式。然而，谐波分析作为求解微分方程的一种通用手段，永磁体的分布需要满足空间周期性。然而很多永磁体阵列并不满足这一特性，这限制了谐波分析在磁悬浮系统中使用的通用性。另外，计算磁力、磁力矩需要使用洛伦茨积分，由于磁悬浮运动执行器的运动形式可能同时存在平动和转动，这进一步增加了计算的实施难度。使用等效磁荷模型或者矢量磁势模型对永磁体阵列进行建模时，得到的输出磁力表达式具有多重积分的形式，很难获得解析表达式。同时，由于多自由度磁悬浮是严格的多输入多输出系统，直接基于复杂的磁力模型设计出能实时运行的控制器是代价昂贵的，且不利于具有高频采样率的闭环磁悬浮系统执行高精度运动定位。

传统的直接基于磁力模型的磁悬浮系统控制方法难以保证高精度跟踪，且其在快采样频率下的计算难以满足实时性要求。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法，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。

在上述基于FPGA的多自由磁悬浮转台运动控制方法中，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。