一种基于磁悬浮技术的抬升装置的制作方法

本发明属于高端装备制造领域与机械设计领域，具体地说，是一种基于磁悬浮技术的抬升装置，包括该装置的硬件与软件设计。

背景技术：

抬升重物的装置是生产、制造、生活中必不可少的重要设备。

现在主要的抬升装置有以下方案：

(1)机械抬升装置

机械抬升装置应用杠杆原理抬升重物，此外机械抬升装置大多数设计有锁紧齿轮。机械抬升装置结构简单、使用便捷，结合电动机可以节省人力。但是机械抬升装置不适用重载设备的抬升，此外金属传动与锁紧齿轮容易被磨损。

(2)滑轮抬升装置

滑轮抬升装置历史悠久，其采用滑轮的组合延长力臂减小抬升力。滑轮抬升装置结构复杂、需要吊装，结合电动机可以节省人力。但是滑轮抬升装置需要的安装空间较大。

(3)液压抬升装置

液压抬升装置应用液体压强抬升重物。液压抬升装置体积较小、结构简单、结合电动机可以节省人力。但是液压抬升装置抬升定位不精确，液压管壁易损会造成漏液。

(4)电气抬升装置

目前市场没有单独的电气抬升装置，但是电动机可以结合上述三种抬升装置极大的节省人力。

表1现在现有抬升装置的优缺点对比

由表1可见，机械抬升装置结构简单，但是容易磨损，可靠性较差，一般用于轻载抬升，常见案例：千斤顶；滑轮抬升装置结构复杂，但是可靠性较好，经过设计后可以抬升较重的货物，此外滑轮抬升装置需要较大的安装空间，常见案例：龙门吊；液压抬升装置需要有液压泵，结构并不复杂，体积较小，但是液压抬升装置容易出现漏液故障问题，此外随着抬升负载的变化，液位沉降不同，液压抬升装置与上两种装置相比精度较低。现有的三种抬升装置都可以结合电动机使其电气化，电气化后的抬升装置可以极大得节省人力。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明设计一种基于磁悬浮技术的抬升装置，这种装置响应快速、采用模块化设计思路、单个模块结构简单、整体系统易于快速检修、装置体积小巧。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于磁悬浮技术的抬升装置，由一个环形永磁体或电磁铁构成主磁场，环形永磁体或电磁铁的上方设置有4个主线圈，设定为线圈一、线圈二、线圈三、线圈四，环形永磁体或电磁铁上缠绕有线圈五，线圈一至线圈五逆时针绕制而成，线圈一的出线端与线圈二的出线端相连，线圈三的出线端与线圈四的出线端相连，还设置有三个驱动芯片，设定为驱动芯片一、驱动芯片二、驱动芯片三，驱动芯片一连接在线圈一和线圈二构成的回路上，驱动芯片二连接在线圈三与线圈四构成的回路上，驱动芯片三连接在线圈五的回路上，还设置有主控模块，主控模块与驱动芯片一、驱动芯片二和芯片三相连，还设置有电源、浮子、五个霍尔元件和放大器，电源为驱动芯片和主控模块提供电力支持，浮子采用永磁材料制成用来放置重物，霍尔元件设置在线圈一至线圈四的中间位置和中间高度位置上，分别与线圈一至线圈五相连，放大器设置在霍尔元件和控制模块之间。

本发明的进一步改进，驱动芯片采用高压、大电流驱动芯片l298n，主控模块采用arduino单片机，放大器采用lm324放大器构建差分放大电路，霍尔元件采用源线性霍尔传感器ah49e，浮子的数量为若干个，放置在线圈一至线圈五的上方。

在本发明中，抬升装置包含抬升永磁体，控制线圈1-5，其中控制线圈5绕制在抬升永磁体，用以提供抬升所需的磁力，通过控制线圈5的电流可以控制抬升的高度。控制线圈1-4，用以控制浮子的xy轴向移动及抑制绕xy轴的旋转角度θx、θy。控制模块根据计算实时生成pwm控制量，输出电流控制线圈1-5；抬升装置模块具有5个可独立控制的线圈1-5，用以控制浮子在xyz轴的位移量x、y、z，及绕xy轴的旋转角度θx、θy。

霍尔传感器模块采用补偿差动设计。并排反向安装的线性霍尔传感器检测浮子轴向两端的变化量，差动计算浮子的轴向位置。相比单线性霍尔传感器设计，精度极大提升。

本专利选择arduino单片机，大电流驱动芯片l298n，有源线性霍尔传感器ah49e，lm324放大器设计了具体控制电流。

本专利根据电学、力学公式，对悬浮控制浮子进行了数学建模，并根据平动、转动状态构建了其矩阵控制方程；根据其矩阵控制方程，设计其自适应反演控制器，并证明了所设计控制器的李雅普诺夫稳定性稳定性。

本发明的进一步改进，设计了磁悬浮抬升装置的软件程序，其包括：主函数，adc采样函数，pwm驱动输出函数。

本发明的进一步改进，设计了分散型抬升浮子托盘，其使得重物重心处于水平线上，可以稳定抬升形状不规则物体或者重心偏上的物体。

本发明的有益效果：

①与上述三种现行主流方案相比，磁悬浮技术采用电能产生磁场托举或吸附永磁体制作的运载托盘，其具有体积小、结构简单、效率高等优点；

②本专利所述的基于磁悬浮技术的抬升装置是一种模块化设备，整体系统易于快速检修；

③相比整体式抬升托盘，本专利中采用分散式托盘设计，每个托盘都具有一个永磁体，励磁绕组可以单独控制每一个永磁体，即分散式托盘每个托盘不一定在同一水平线，因此适合抬升形状、重心不规则物品。

附图说明

图1磁悬浮抬升装置单元模块原理图；

图2控制线圈绕制图；

图3x轴负方向偏离的浮子所受力矩图；

图4x轴正方向偏离的浮子所受力矩图；

图5悬浮浮子受力分析图；

图6霍尔传感器的安装位置；

图7磁悬浮模块硬件拓扑图；

图8差分放大原理图；

图9驱动电路原理图；

图10传感器电路原理图；

图11浮子绕x轴旋转扰动示意图；

图12基于自适应反演控制器的磁悬浮控制系统；

图13主程序设计流程图；

图14adc采集程序设计流程图；

图15pwm波输出程序设计流程图；

图16分散型抬升浮子示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：一种基于磁悬浮技术的抬升装置，由一个环形永磁体或电磁铁构成主磁场，环形永磁体或电磁铁的上方设置有4个主线圈，设定为线圈一、线圈二、线圈三、线圈四，环形永磁体或电磁铁上缠绕有线圈五，线圈一至线圈五逆时针绕制而成，线圈一的出线端与线圈二的出线端相连，线圈三的出线端与线圈四的出线端相连，还设置有三个驱动芯片，设定为驱动芯片一、驱动芯片二、驱动芯片三，驱动芯片一连接在线圈一和线圈二构成的回路上，驱动芯片二连接在线圈三与线圈四构成的回路上，驱动芯片三连接在线圈五的回路上，还设置有主控模块，主控模块与驱动芯片一、驱动芯片二和芯片三相连，还设置有电源、浮子、五个霍尔元件和放大器，电源为驱动芯片和主控模块提供电力支持，浮子采用永磁材料制成用来放置重物，霍尔元件设置在线圈一至线圈四的中间位置和中间高度位置上，分别与线圈一至线圈五相连，放大器设置在霍尔元件和控制模块之间。

在本实施例中，驱动芯片采用高压、大电流驱动芯片l298n，主控模块采用arduino单片机，放大器采用lm324放大器构建差分放大电路，霍尔元件采用源线性霍尔传感器ah49e，浮子的数量为若干个，放置在线圈一至线圈五的上方。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

1磁悬浮抬升装置单元模块结构

如图1所示，在磁悬浮抬升单元模块中由一环形永磁体提供主磁场，主磁场也可以由电磁铁提供。在主磁场之上还设计了4个主线圈，线圈1和线圈2控制x轴平衡，线圈3和线圈4控制y轴平衡，线圈5绕制在环形永磁体上以控制z轴平衡。为了方便说明，以下把线圈的始端称为进线端，末端称为出线端。

线圈绕制方式如图2所示，逆时针方向进行绕制，图中“+”表示电流流入，“-”表示电流流出，所以当线圈进线端流入电流时，根据安培定则可知，根据电流流入方向不同，不同线圈绕制产生的磁场方向也不同。

2磁悬浮控制原理

x轴平衡的控制方式：线圈1的出线端与线圈2的出线端相连，因线圈全都是逆时针绕制而成，则当线圈1的进线端流入电流时，线圈1的n极朝上，线圈2的s极朝上，如图3所示，线圈1与线圈2组合会提供给浮子向x轴正方向移动的合力矩，直至浮子到达至平衡位置，此时是浮子受到侧向干扰力偏离至x轴负方向的情况；若浮子受到侧向干扰力偏离至x轴正方向的情况下，则需要给线圈2的进线端通入电流，这样线圈1的s极朝上，线圈2的n极朝上，如图4所示，线圈2和线圈1组合会提供给浮子向x轴负方向移动的合力矩，直至浮子到达至平衡位置。线圈1和线圈2的进线端连接引脚后文会做详细介绍。

y轴平衡的控制方式：与x轴平衡的控制方式相类似，线圈3的出线端与线圈4的出线端相连，因线圈全都是逆时针绕制而成，则当线圈3的进线端流入电流时，线圈3的n极朝上，线圈4的s极朝上，线圈3与线圈4组合会提供给浮子向y轴正方向移动的合力矩，直至浮子到达至平衡位置，此时是浮子受到侧向干扰力偏离至y轴负方向的情况；若浮子受到侧向干扰力偏离至y轴正方向的情况下，则需要给线圈4的进线端通入电流，这样线圈3的s极朝上，线圈4的n极朝上，线圈4和线圈3组合会提供给浮子向y轴负方向移动的合力矩，直至浮子到达至平衡位置。

设浮子平衡位置的空间坐标为(0,0,0)，如图5所示，实际悬浮时浮子受到自身重力g，环形永磁体提供的垂直向上的磁力f，若有干扰时受到侧向干扰力f，分解到x轴，y轴，z轴方向分别为fx、fy、fz。fx的方向是x轴正方向，fy的方向是y轴负方向，fz的方向是z轴负方向，它们会使浮子偏离平衡位置到x轴正方向、y轴负方向、z轴负方向，则需要同时给线圈2的进线端、线圈3的进线端、线圈5的出线端通入电流，将浮子调节控制到平衡位置即空间坐标为(0,0,0)。

3悬浮偏移的检测

本专利采用线性霍尔传感器，其安装位置如图6所示，总共安装5个线性霍尔传感器，黑色部分表示线性霍尔传感器检测磁场的方向。线性霍尔传感器会测量由永磁浮子发出并通过传感器检测面的磁力线，其磁场强度与输出量成正比。为了不受到控制线圈在调节时磁力线变化的干扰，传感器应安装位于4个线圈的中间位置和中间高度，此外检测浮子x轴和y轴位置变化的霍尔传感器要相互垂直。检测浮子z轴磁场强度变化的一个线性霍尔传感器要位于中心位置且磁场检测面朝上，即为黑色，该处与浮子的中心处于同一垂直线上，这样才能准确的检测浮子z轴位置的变化。

4磁悬浮模块硬件设计

如图7所示，选择arduino单片机作为主控模块，选择st公司生产的高压、大电流驱动芯片l298n驱动控制线圈，选择有源线性霍尔传感器ah49e，并采用lm324放大器构建差分放大电路。

本专利采取了14脚双列直插塑料封装的方法的lm324作为差分放大器，它的内部为四运放集成电路。它内部的四组运算放大器全部一样，除共用电源外，其他的全是彼此独立。lm324带有真差动输入的四运算放大器，真正的具备差分输入，在很多情况下不需要采用外部偏置元件。

运算放大器的差分放大原理如图8所示，假设变阻器r5分为上下两部分r5上和r5下，差分放大电路公式为：

本专利设计的参数，r1＝5.1kω，r3＝100kω，r5＝10kω，变阻器r5经过多次调节测试确定出最佳阻值，根据公式1求得将霍尔传感器的霍尔电压放大了大概25倍，其处于arduino单片机adc采集能够检测处理的范围。

5驱动电路设计

驱动电路的设计利用l298n驱动芯片构建控制线圈驱动电路，如图8所示。

如图9所示，l298n(1)驱动的左右线圈分别是线圈2和线圈1，控制浮子x轴方向的平衡，当浮子位置偏移到x轴负方向时，arduino单片机输出的pwm波控制引脚out3置1，引脚out4置0，因线圈1和2的出线端相连，则电流从线圈2的进线端流入，从线圈1的进线端流出，线圈2产生的磁场方向是n极朝上，线圈1产生的磁场方向是s极朝上，会使得浮子受到向x轴正方向移动的磁场力，直至浮子到达平衡位置；相反，当浮子偏移到x轴正方向时，arduino单片机输出的pwm波控制引脚out3置0，引脚out4置1，则因线圈1和2的出线端相连，电流从线圈1的进线端流入，从线圈2的进线端流出，线圈1产生的磁场方向是n极朝上，线圈2产生的磁场方向是s极朝上，会使得浮子受到向x轴负方向移动的磁场力，直至浮子到达平衡位置。

l298n(1)驱动的上下线圈分别是线圈4和线圈3，控制浮子y轴方向的平衡，当浮子位置偏移到y轴负方向时，arduino单片机输出的pwm波控制引脚out1置1，引脚out2置0，因线圈3和4的出线端相连，则电流从线圈4的进线端流入，从线圈3的进线端流出，线圈4产生的磁场方向是n极朝上，线圈3产生的磁场方向是s极朝上，会使得浮子受到向y轴正方向移动的磁场力，直至浮子到达平衡位置；相反，当浮子偏移到y轴正方向时，arduino单片机输出的pwm波控制引脚out1置0，引脚out2置1，则因线圈3和4的出线端相连，电流从线圈3的进线端流入，从线圈4的进线端流出，线圈3产生的磁场方向是n极朝上，线圈4产生的磁场方向是s极朝上，会使得浮子受到向y轴负方向移动的磁场力，直至浮子到达平衡位置。

l298n(2)驱动的线圈是线圈5，控制浮子z轴方向的平衡，当浮子位置偏移到z轴负方向时，arduino单片机输出的pwm波控制引脚out2置1，引脚out1置0，则电流从线圈5的出线端流入，从线圈5的进线端流出，线圈5产生的磁场方向是s极朝上，会使得浮子受到向z轴正方向移动的磁场力，直至浮子到达平衡位置；相反，当浮子偏移到z轴正方向时，arduino单片机输出的pwm波控制引脚out2置0，引脚out1置1，则电流从线圈5的进线端流入，从线圈5的出线端流出，线圈5产生的磁场方向是n极朝上，会使得浮子受到向z轴负方向移动的磁场力，直至浮子到达平衡位置。

6传感器电路设计

如图10所示，霍尔传感器组1采集的是y轴方向的浮子位置变化信号，霍尔传感器组2采集的是x轴方向的浮子位置变化信号，霍尔传感器3采集的是z轴方向的浮子位置变化信号。霍尔输入h1、h2、h3分别连接lm324的引脚2、6、9，霍尔信号放大输出a1、a2、a3分别连接lm324的引脚1、7、8，x轴、y轴、z轴方向的浮子位置信号经lm324放大后传给arduino单片机adc采集处理。

7悬浮控制对象建模

如图1所示，在z轴方向上浮子受到一个环形永磁体给的向上的斥力f，电磁线圈给的电磁力fz，以及浮子自身的重力g。对位于z轴上的各点来说，全部束缚面电流产生的磁场的磁矢势a都等于零，沿柱坐标的坐标ρ方向的磁感应强度分量也都等于零，在z轴方向上的磁感应强度分量bz的计算公式是：

其中：μ0为真空磁导率，数值为4π×10^-7h/m，m为永磁体工作点的磁化强度，z为z轴坐标值，l为环形永磁体厚度的一半，a为环形永磁体的内半径。

永磁装置中磁场力的简化计算公式为：

其中s为磁场与导磁材料作用面的面积。

假设浮子及其负重质量为m，则在z轴的动力学方程为：

当浮子处于稳定状态时，则平衡点处的z轴方向的平衡方程为：

其中：z0为浮子平衡时距离线圈5的距离。

电磁力函数为：

其中n是匝数，s0是有效磁极面积。

当浮子处于稳定状态时，即平衡点的电磁力为：

用泰勒展开公式展开fz(z,iz)，取前两项：

令kz被称为磁悬浮系统的z轴方向位移刚度系数，ki1被称为磁悬浮系统的z轴方向电流刚度系数。

则z轴方向的开环传递函数为：

由上所推，可建立起系统在z轴方向上的开环传递函数线性模型。

在x轴线圈1与线圈2施加2fx的电磁力给浮子，在y轴线圈3与线圈4施加2fy的电磁力给浮子。

在x轴上的动力方程为：

当处于平衡点时，x轴上的方程是：

其中x0是浮子处于平衡点时与线圈1、线圈2的距离。

由式4-5、4-6、4-7、4-8可得出x轴上的开环传递函数是：

其中x轴方向上的位移刚度系数x轴方向上的电流刚度系数

与x轴原理相同，y轴上的开环传递函数是：

其中y轴方向上的位移刚度系数y轴方向上的电流刚度系数

为让浮子能够保持稳态，而且能够在受到干扰无法保持稳态的情况下，经过系统本身的调节重新达到稳态。浮子维持稳定的话，只需要让浮子在x轴、y轴、z轴各个方向的力都保持平衡。当浮子受到干扰时，浮子受到线圈提供的电磁力在x、y、y轴方向上就要做出变动，设计出一个闭环控制系统，能够自主检测外界扰动，自动调整恢复系统的平衡。

此处闭环控制系统为一种自适应反演控制器，其考虑浮子在xyz轴的位移量x、y、z，绕xy轴的旋转角度θx、θy，可以消除浮子的偏移与旋转，使其保持稳定。浮子绕z轴的旋转角度θz，产生向内的向心力，因此无需考虑。

如图11所示，磁悬浮抬升装置的浮子为半径是r，厚度可忽略不计的圆盘。fy1,fy2是y轴电磁铁产生的大小相同方向可控制的电磁力，忽略浮子与空气的摩擦阻力，浮子在x轴的转动方程为：

其中为转动惯量，是绕x轴旋转时的角加速度，fy(y,iy)为一对旋转力偶的作用力，l为作用力fy(y,iy)到转轴的力距。

与平动方程相同，当浮子处于平衡点时将其近似线性化，即将2fy(y,iy)进行泰勒展开并忽略二阶项：

类似x轴的转动方程，y轴的转动方程可写为：

磁悬浮装置的动态模型可以表达为：

8自适应反演控制器及稳定性分析

如图12基于自适应反演控制器的磁悬浮控制系统所示，输入为传感器检测到浮子在xyz轴的位移量x0、y0、z0，绕xy轴的旋转角度θx0、θy0。经自适应反演控制器控制后作用在磁悬浮抬升装置上，输出pwm控制脉冲波给悬浮控制线圈。检测元件检测浮子xyz轴的实时位移量x、y、z，绕xy轴的实时旋转角度θx、θy，反馈给自适应反演控制器构成闭环。

定义状态变量x1＝[x,y,z,θx,θy]^t，定义控制量u＝[ix,iy,iz]^t，f为系统的不确定部分，磁悬浮装置的动力模型可写为以下状态方程形式：

以(18)作为控制对象进行反演设计，基本思想是从原系统选取合适的状态变量分解为新的子系统，然后为每一个子系统设计虚拟控制律，逐步设计最终得到系统的实际控制律，使整个系统达到期望的性能，控制框图如图11所示。

式中

控制器的设计过程如下：

定义误差向量e1和e2(对浮子x轴，y轴，z轴位置，绕x轴，y轴的旋转角度及其变化量的跟踪误差)，那么有：

e1＝x1-a1(19)

e2＝x2-a2(20)

其中a1,a2为虚拟控制，是x1,x2的估计值。

对e1,e2求导得：

将x2＝a2+e2代入式(21)，得：

设计虚拟控制量为：其中k1为正的常数。

定义李雅普诺夫函数对其求导并代入(23)，得：

代入虚拟控制量a2，可得：

定义对其求导并将(25)代入，得：

设为f的估计值，f的估计误差假设f变化缓慢，即

取自适应律为：其中r为正的常数。

定义对其求导并代入(26),可得：

设计控制规律为：

代入(27)，可得：

由此可知，控制系统是稳定的。

9悬浮控制系统软件设计

9.1悬浮控制系统主函数设计

主程序的设计思路如图13所示，首先是程序初始化，初始化有arduino参数初始化、pid参数初始化、pwm波参数初始化、adc参数初始化，初始化后进行主程序循环，之后是adc采集程序、pid算法控制程序、pwm波输出程序循环运行，adc采集来采集浮子的位置信息，pid算法控制程序来对采集的位置信息进行算法处理，pwm波输出程序来控制

9.2悬浮控制系统adc采样函数设计

adc采集流程图如图14所示，adc采集参数先初始化，之后进到主程序循环。硬件部分要用到三个霍尔元件来各自采集浮子在x、y、z轴的位置变化，霍尔元件组采集到位置变化的信息后，由运算放大电路处理后变成可以被arduino处理的电压模拟信号。软件则根据硬件采集的需要来设计，引脚a0采集y轴上的变化，引脚a1采集x轴的变化，引脚a2采集y轴上的变化。之后进入主程序循环，保证霍尔传感器采集的模拟信号能够经过adc采集程序处理之后用于pid算法控制程序的输入变量。

9.3悬浮控制系统pwm驱动输出函数设计

pwm波输出程序设计思路如图15程序流程图所示，首先pwm波参数初始化，然后进入主程序循环，pid算法控制的输出为本部分pwm波输出程序的输入，而且要根据pid算法控制程序的输出判断浮子是处在z轴的正方向或者负方向、x轴的正方向或者负方向、y轴的正方向或者负方向，还要根据数值来判断偏离平衡位置的远近，以此来控制线圈输出电流的大小与方向，实现控制浮子在平衡位置稳定悬浮的效果。

10分散型抬升浮子托盘设计

对于形状不规则物体或者重心偏上的物体，整体式托盘在抬升过程中易造成重心不稳，针对这种情况本专利设计了分散型抬升浮子托盘。

如图16所示，假设搬运的重物按照图中所放置的位置，此时重心居中偏下，这样搬运的时候易于保持重物的稳定性。如果采用整体式运载托盘，①会使重物底部只有少数几点集中受力，受力点压强过大，容易损坏重物；②水平放置的整体式运载托盘不能保持重物的特定姿势，姿势变化后会使得重心位置发送变化，从而破坏被托举重物的稳定性。本专利所设计的分散型抬升浮子如图13所示，这里使用若干个磁悬浮抬升装置单元模块构建整个抬升系统(图13中使用了4个磁悬浮抬升装置单元)。每个抬升装置负责被抬升重物的某一个部位，独立控制每个磁悬浮抬升装置单元中的抬升电流，使得每个单元所抬升的高度自适应重物底部(图16中抬升高度h1、h2、h3、h4，每个高度不同且自适应重物底部深度)，从而使得重物重心处于水平线上，保证抬升过程中重物的稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。