空间小磁体悬浮控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及空间磁场的控制方法技术领域，尤其设及一种空间小磁体悬浮控制方 法。
【背景技术】
[0002] 随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技 研究的重要手段。目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬 浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。
[0003] 目前常用的电磁悬浮技术的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生满流，进 而产生洛伦兹力来实现悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，由于电磁 感应现象，会在金属表面产生高频感应电流，并形成闭合回路即满流，运一高频满流使金属 样品在磁场中受到一个洛沦兹力的作用。通过合理设计悬浮线圈的结构，可W使样品上洛 伦兹力的合力方向与重力方向相反，再通过调节高频电源的功率使电磁力与重力相等，即 可实现金属样品的悬浮。
[0004] 随着电力电子技术、控制理论、信号处理器、新型电磁材料和转子动力学的发展， 电磁悬浮技术得到了长足的发展，已广泛应用于交通领域和半导体生产、汽车工业、精密仪 器、仪表等工业领域。随着航空航天事业的飞速发展，电磁悬浮技术在高真空环境下对悬浮 状态的物体进行精确控制必将成为该领域中对物体位置、状态及其变化量进行测量和控制 的有效手段，在空间环境测量、测试等科学实验中发挥重要作用。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种空间小磁体悬浮控制方法，所述方法通过 控制线圈电流大小来实现对空间悬浮小磁体的姿态和位置进行精确控制。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种空间小磁体悬浮控制方 法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
[0007] 1)构建小磁体悬浮控制系统，所述悬浮控制系统包括若干组位置控制线圈、若干 组姿态控制线圈和小磁体；
[000引2)通过改变位置控制线圈中通电电流的大小及方向，来改变小磁体在所述悬浮控 制系统中的位置，通过改变姿态控制线圈中通电电流的大小及方向，来改变小磁体的姿态。
[0009] 进一步的技术方案在于:所述的构建小磁体悬浮控制系统的方法如下：
[0010] 小磁体悬浮控制系统腔体为长方体结构，其中在腔体X方向的两个相对面上安置 W面屯、为对称中屯、的轴对称的四对位置控制线圈，通过施加不同方向的电流及电流强度， 小磁体受到的平动电磁力在X，y，Z =个方向的分量都可独立控制其大小和方向，从而实现 对小磁体位置的精确控制，将小磁体质屯、始终控制在系统中屯、，也为全局坐标系的坐标原 点；在y方向和Z方向各两个面上安置严格轴对称的两对姿态控制线圈，通过改变姿态控制 线圈中通电电流的大小及方向，来实现对小磁体的姿态控制，将小磁体等效磁矩方向始终 控制在X方向。
[0011] 进一步的技术方案在于:所述的位置控制线圈的控制方法如下：
[0012] 设位置控制的四对通电线圈相应的磁矩分别记为化、必2、麻,、廚,，M,,、 化.、^(?4.，其在小磁体位置区域产生磁场，由于线圈线度很小，可用磁偶极场来表 示，为了反映通电控制线圈磁矩的方向，磁矩分别记为厄,=聲吟J，i = l，2,3,4，l/ ，3^， 少，Mi为磁矩的大小，Si表示磁矩的方向；
[0013] 小磁体的磁矩记为M，下面计算通电位置控制线圈对小磁体的电磁作用力，W其 中第一对位置控制线圈来作一个分析，先计算府,对M的控制电磁力，设S为从M指向卸的 矢量，设妨中屯、所在位置坐标为(x，y，z)，麻1相对中屯、所在位置的坐标为(a，b，c)，则有
[0014] 5=(a-;c)r + (6 -;;)7 + (c-z)完 (1)
[0015] 其相互作用势为
(2)
[0017]利用
(3)
[0019] W及
(4) (5) (6)
[0023]可得到作用于小磁体上的电磁力：
(7) (8) (9)
[0027]同理，对于历,,对M的控制作用，由于严格轴对称，麻中屯、所在位置坐标为(-a，b， C)，相应的= (-a-邱+(6-Wy+ (C-Z)完，与M的相互作用势为
[0029] 可得 (10) (11) (12)
(13)
[0033] 由于X一0，y一0，Z一0，即只要小磁体中屯、偏离坐标原点，就立即实施控制，使其回 到坐标原点，另外第一对位置控制线圈（1,1/)严格轴对称，且线圈大小、通电电流大小相 等，故有
[0034] ri = Ti',Mi=Mi' (14)
[0035] 可见只要控制Si和Si'的取值W及(a，b，c)的取值，就可实现第一对位置控制线圈 对小磁体电磁力=个方向分量的独立控制。
[0036] 进一步的技术方案在于:1)对于第一对位置控制线圈，取Si = Si'=1或-l，c = 0;
[0037] 则有；
[003引 Fxi = -Fxi' ,Fyi = Fyi' ,Fzi=Fzi' =0 (15)
[0039] 即实现了 y方向分力的独立控制；
[0040] 另外当取81 = 1，81'=-1或81 = -1，81'=1，。= 0时
[0041] 则有；
[0042] Fxi = Fxi' ,Fyi = -Fyi' ,Fzi=Fzi' =0 (16)
[0043] 也可实现X方向分力的独立控制；
[0044] 2)对于第二对位置控制线圈，取82 = ?' =1或-1，b = 0;
[0045] 则有；
[0046] Fxi = -Fxi',Fyi = Fyi'=0,Fzi=Fzi' (17)
[0047] 即实现了 Z方向分力的独立控制；
[004引 另外当取 82=1,82' =-1 或 82 = -1,龄=l，b = 0 时，
[0049] 则有；
[0050] Fxi = Fxi',Fyi = Fyi'=0,Fzi = -Fzi' (18)
[0051 ]也可实现X方向分力的独立控制；
[0化2] 3)对于第S对位置控制线圈，取83=1,?' =-1或83 = -1, Sy =l，c = 0;
[0053] 则有；
[0054] Fxi = Fxi' ,Fyi = -Fyi' ,Fzi=Fzi' =0 (19)
[0055] 即实现了X方向分力的独立控制，同样地，第=对位置控制线圈也可W实现y方向 的独立控制；
[0056] 4)对于第四对位置控制线圈，也与前面S组线圈作用类似，控制小磁体在x，y，zS 个方向上运动，只需要水平和垂直方向各一组线圈就足够，如果需要同时控制X，y，Z立个方 向的平动，则需要=组控制线圈，第四对位置控制线圈作为冗余线圈，当其它=组控制线圈 之一出现问题时，可由其代替实现相应分力的独立控制。
[0057] 进一步的技术方案在于:姿态控制线圈的控制方法如下：
[0化引两对姿态控制线圈实现对小磁体姿态的控制，相应的磁矩分别记为后，、 府6、化.、厄6,，两对姿态控制线圈在小磁体区域产生的磁感应强度分别为马、马，两对线 圈中屯、与坐标原点的距离为1，由于每对线圈的大小和通电电流方向、大小完全相同，有 馬=化.、成=成；
[0059] 1)如果小磁体磁矩偏离X方向，则小磁体磁矩将受到第一对姿态控制线圈磁场对 它的力矩巧作用，有
[0060] 巧=Mx马 （20)
[0061] 由于第一对姿态控制线圈的线度相比小磁体所在区域较大，故其在小磁体区域产 生的磁场近似为均匀磁场，磁场方向为y方向，根据磁偶极场的计算公式，有
(21)
[0063]则相应的力矩大小为：
(22)
[00化]力矩方向垂直于厉和马构成的平面，很显然在此力矩的作用下，麻将在XY平面内 由y方向转向X方向；
[0066] 2)第二对姿态控制线圈对小磁体磁矩的控制与第一对姿态控制线圈(对小磁体磁 矩的控制是类似的，在力矩用下，M将在XZ平面内由Z方向转向X方向，相应的有：
(23)
[0068] 综合W上两对线圈的作用，可将小磁体磁矩方向始终控制在X方向保持不变。
[0069] 进一步的技术方案在于:所述小磁体为楠圆形、圆柱形或球形。
[0070] 进一步的技术方案在于:所述小磁体选用永磁体材料制作。
[0071] 进一步的技术方案在于:所述检测磁体的外侧包裹有非磁性材料。
[0072] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述方法通过构建小磁体悬浮控制系 统对小磁体进行悬浮控制，该控制系统主要分为两部分，一部分是由安置于控制区域两个 对称面的四组呈菱方形轴对称分布的位置控制线圈构成，另一部分是由安置于控制区域另 外四个面上的两组面屯、上的姿态控制线圈组成，当系统中屯、处小磁体发生位移时，通过多 个姿态控制线圈和位置控制线圈的相互作用，调控线圈的电流大小及方向，分别在小磁体 区域处产生匀强磁场和梯度磁场，从而实现转动力矩的施加和平动力的施加，实现对小磁 体的姿态控制和位置控制。
【附图说明】
[0073] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0074] 图1-3是磁偶极子在磁场中受到的作用力分析示意图；
[0075] 图4是小磁体悬浮控制系统结构示意图
[0076] 图5是第一组姿态控制线圈对小磁体施加力矩示意图；
[0077]图6是第二组姿态控制线圈对小磁体施加力矩示意图；