[发明专利]一种基于解析模型的磁悬浮运动实时仿真系统及方法

说明书

本发明涉及磁悬浮运动实时仿真技术，具体涉及一种基于解析模型的磁悬浮运动实时仿真系统及方法，该系统包括磁悬浮运动平台，包括依次连接的控制模块、电流‑磁力转换模块、磁力解析模块和运动反馈模块。控制模块根据运动误差计算出磁悬浮运动平台所需磁力；电流‑磁力转换模块根据控制模块输出的磁力，逆模型求解磁力解析模块所需的驱动电流；磁力解析模块依据电流‑磁力转换模块输出的驱动电流，实时计算磁悬浮运动平台所受磁力大小；运动反馈模块根据磁力解析模块输出的磁力大小，实时更新磁悬浮运动平台运动状态，并反馈至控制模块。该方法采用解析模型在保证准确性的同时，还考虑了平动及运动过程中的偏转角，使得计算结果更加准确。

技术领域

本发明属于磁悬浮运动实时仿真技术领域，特别涉及一种基于解析模型的磁悬浮运动实时仿真系统及方法。

背景技术

近几年来，磁悬浮运动系统由于其具有机械结构简单，运动范围大等特点被越来越广泛地应用在纳米制造、微电子加工等领域，也受到越来越多的研究人员的关注。磁悬浮运动系统的性能主要由物理性能与控制算法的表现共同决定，对这两个方面的研究也取得了大量地研究成果。为了证明这些研究成果的可行性与效果，通常需要通过实验对它们进行验证。磁悬浮运动系统对机械结构的制作工艺要求较高，制作周期长，制作成本高，如果将这些研究成果直接应用在实际系统中进行测试，测试过程中可能存在的一些不可预测的问题会对磁悬浮运动系统造成不可逆的损坏。基于此，对磁悬浮运动系统的结构设计以及控制算法进行仿真实验成为验证可行性的一种重要方法。在仿真系统中，磁悬浮运动系统控制器的作用对象是虚拟的磁悬浮运动平台，通过这种方法，可以有效降低实验过程中不可预测因素对实际磁悬浮运动平台造成的伤害。

传统的磁悬浮运动仿真系统将被控对象简单视为二阶系统，控制器被直接视为磁悬浮运动平台所受磁力的大小，其优点在于结构简单，可以快速进行搭建。然而，在磁悬浮运动系统实际控制过程中，控制器的输出需要通过计算转化为线圈中输入的驱动电流，再由线圈中的电流转化为磁悬浮运动平台所受的磁力和力矩。传统磁悬浮运动仿真系统显然忽略了这一过程，这种情况会造成仿真结果与系统的真实运行情况出现差异，影响仿真结果的准确性，进而进一步影响仿真测试的有效性。

为了达到更好地仿真效果，更贴近磁悬浮运动系统的实际运动状态，需要建立针对磁悬浮运动平台的磁力模型。现有的磁力模型主要分为数值模型和解析模型，数值模型准确性高然而计算强度太大，并不能对磁力进行实时计算，解析模型在保证了一定的计算准确性的前提下，极大地降低了计算强度，能够实现实时计算的要求。为了实现磁悬浮运动系统的实时仿真，需要对磁悬浮平台磁力大小进行实时计算，因此，相比于数值模型，解析模型显然更适用于磁悬浮运动实时仿真系统。

在磁悬浮运动平台的运动过程中，不可避免地会产生各个方向的偏转角，然而，传统的解析模型通常只考虑磁悬浮平台的平动或绕z轴的转动，为了达到更好地控制及仿真效果，显然，提出一种既考虑平动又考虑偏转角的解析模型显得尤为重要。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于解析模型同时考虑平动及偏转角的磁悬浮运动实时仿真系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于解析模型的磁悬浮运动实时仿真系统，包括磁悬浮运动平台，包括依次连接的控制模块、电流-磁力转换模块、磁力解析模块和运动反馈模块；控制模块用于根据运动误差计算出磁悬浮运动平台所需磁力；电流-磁力转换模块用于根据控制模块输出的磁力，逆模型求解磁力解析模块所需的驱动电流；磁力解析模块用于依据电流-磁力转换模块输出的驱动电流，实时计算磁悬浮运动平台所受磁力大小；运动反馈模块用于根据磁力解析模块输出的磁力大小，实时更新磁悬浮运动平台运动状态，并反馈至控制模块。

在上述基于解析模型的磁悬浮运动实时仿真系统的测试方法中，包括以下步骤：

步骤1：根据当前运动误差，通过控制模块实时计算磁悬浮运动平台所需磁力和磁力矩；