高精度电磁力的产生装置和产生方法以及误差削减方法与流程

本申请涉及一种高精度电磁力的产生装置和产生方法以及误差削减方法，属于航天器领域。

背景技术

星载推力器的推力或冲量测量通常采用扭摆、吊摆等直接测量系统进行地面测量。测量系统标定直接决定测量系统的精度，标定可以标定测量系统的系统参数、输入和输出关系。在标定技术中，高精度的标定力产生至关重要。如何产生高精度的标定力，尤其是如何标定力的误差评定是亟待解决的技术问题，也是推力或冲量测量精度评定的重要依据。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种高精度电磁力产生装置，所述装置包括电磁线圈、永磁铁和位置控制机构；

其中，所述位置控制机构与所述电磁线圈连接，用于调节所述电磁线圈的位置和角度，所述电磁线圈通过所述位置控制机构悬于所述永磁铁上方。

优选地，所述位置控制机构包括三个位移调节单元，和两个角度调节单元；

其中，所述三个位移调节单元用于从三个空间维度上调节所述电磁线圈的前后、左右和高低位移；所述两个角度调节单元用于调节所述电磁线圈的偏角和仰角。

根据本发明的另一方面提供一种产生高精度电磁力的方法，所述方法包括以下步骤：

1)将权利要求1或2所述的高精度电磁力产生装置安装在测力装置上，其中，将所述永磁铁安装在测力装置的感应部；

2)通过位置控制机构对所述电磁线圈进行角度调平和位移纠偏；

3)改变所述永磁铁与所述电磁线圈的间距，当电磁力最大时间距设定为所述永磁铁与所述电磁线圈的间距。

优选地，所述步骤2)中，所述角度调平的具体步骤如下：

逐渐调节所述电磁线圈的角度，使测量得到的电磁力逐渐减小，到达第一位置，记录电磁力大小；其次，从第一位置开始反向调节偏角，测量得到的电磁力逐渐增大，之后又逐渐减小，当出现与第一位置电磁力相等时，到达第二位置，记录从第一位置到达第二位置的转角α；最后，从第二位置再反向旋转α/2，达到第三位置，实现角度调平。

优选地，所述角度调平包括偏角调平和仰角调平，所述偏角调平和仰角调平的具体步骤相同。

优选地，所述位移纠偏的具体步骤如下：

逐渐向一侧调节位移，使测量得到的电磁力逐渐增大，到达第一位移，记录电磁力大小；其次，从第一位移处开始向另一侧调节位移，测量得到的电磁力逐渐减小，之后又逐渐增大，当出现与第一位移电磁力相等时，到达第二位移，记录从第一位移到达第二位移的位移w；最后，从位置②再反向调节位移w/2，达到第三位移，实现位移纠偏。

优选地，所述位移纠偏包括前后纠偏和左右纠偏，所述前后纠偏和所述左右纠偏的具体步骤相同。

根据本发明的另一个方面提供所述的产生高精度电磁力装置产生的高精度电磁力进行误差削减的方法，其特征在于，所述方法包括：

a)给定电磁恒力相对误差；

b)采用电磁恒力测量方法确定有效包络区间，所述有效包络区间包括有效端面倾角、有效端面偏心和有效端面距离；其中：

所述有效端面倾角是满足电磁恒力误差小于所述步骤a)中给定的电磁恒力相对误差时，所述电磁线圈和所述永磁铁所在平面之间的倾角，包括偏角和仰角；

所述有效端面偏心是满足电磁恒力误差小于所述步骤a)中给定的电磁恒力相对误差时，所述电磁线圈和所述永磁铁的端面中心的偏离位移；

所述有效端面距离是满足电磁恒力误差小于所述步骤a)中给定的电磁恒力相对误差时，所述电磁线圈和所述永磁铁所在平面之间的距离；

c)在所述有效包络区间内，采用线性拟合方法，建立电磁恒力和控制电流的关系，并确定拟合误差。

优选地，所述步骤c)中，所述线性拟合的方法为分段线性拟合法。

优选地，所述方法还包括削减所述产生高精度电磁力装置的安装误差，所述安装误差的削减方法为，保持电磁线圈和所述永磁铁所在平面之间的偏角和仰角控制在0.3°～0.6°的范围内，且永磁铁偏离转动部件对称面距离满足|b/lf|＝0.01，此时电磁恒力安装误差所造成的恒力误差小于0.21‰，其中，b是永磁铁偏离测力装置感应部对称面的距离，lf为电磁力作用在测力装置感应部的力臂。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的装置，能够产生高精度的电磁恒力，并且装置结构简单，可以调控。

2)本申请所提供的装置，便于进行电磁恒力的分析，有利于系统评定电磁恒力特性。

3)本申请所提供的装置，具有较好的通用性，适用于类似扭摆系统的二阶振动力学测量系统的标定力产生和误差分析方法。

4)本申请所提供的电磁恒力产生方法，操作简单，对仪器设备要求较低，降低了成本。

附图说明

图1为电磁恒力产生与测量装置的示意图；

图2为端面倾斜角度调平、端面偏心距离纠偏、端面间距设定的多功能电磁恒力测量装置图；

图3为电磁恒力随着控制电流变化曲线；

图4为端面倾斜、端面偏心、端面间距的示意图；

图5为电磁恒力安装误差的示意图；

图6为端面倾斜调平、端面偏心纠偏、端面间距设定的示意图；

图7为电磁标恒力安装误差示意图；

图8为当b/lf＝0.01时电磁恒力安装误差变化；

图9为当b/lf＝-0.01时电磁恒力安装误差变化。

部件和附图标记列表：

1-多匝线圈2-永磁铁3-称量装置

4-偏角调节单元5-仰角调节单元6-上下位移调节单元

7-左右位移调节单元8-前后位移调节单元

具体实施方式

下面结合附图详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

下文中涉及到的公式符号，定义如下：

f0：电磁恒力

i：控制电流

a0、a1：拟合系数

δf0：电磁恒力拟合误差

δf0的标准差

电磁恒力拟合相对误差

θ：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面倾斜角度

θth：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面倾斜角度限

de：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面偏心距离

de,th：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面偏心距离限

ds：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面间距

ds0：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面初始间距

ds,th：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面间距限

lf：电磁恒力作用力臂

b：永磁铁安装位置偏离转动部件对称面的距离

α：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面偏角

αth：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面偏角限

β：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面仰角

βth：多匝线圈和永磁铁相对端面的有效端面仰角限

f0xy：f0在xoy平面内投影

f0z：f0沿z轴的投影

(xb0,yb0,zb0)：当α＝β＝0时交点b的初始坐标

dab：原点o到ab直线投影的距离

m：电磁恒力产生的力矩

f0p：产生力矩的电磁恒力

安装误差造成电磁恒力误差

电磁恒力测量方法和装置

为了研究线圈与永磁铁端面倾斜、端面偏心、端面间距等对电磁恒力影响，需要电磁恒力的测量方法和装置，以实现端面倾斜、端面偏心、端面间距等调节控制。

如图1示，为电磁恒力的产生与测量方法和装置的示意图，电磁恒力产生装置主要由通电的多匝线圈1和永磁铁2组成，通过多匝线圈1和永磁铁2的相对端面之间磁场来产生电磁恒力，永磁铁2安装在称量装置3的精密天平托盘上，采用精密天平测量电磁恒力的大小。

如图4所示由于两个端面之间的端面倾斜角度(图4a)、端面偏心距离(图4b)、端面间距(图4c)都会影响端面之间磁场分布，需要研究这些因素对电磁恒力的影响规律。并且建立电磁恒力与控制电流之间关系模型，以便通过电流控制获得所需的高精度电磁恒力，作为标定力使用。

为了研究上述问题，需要电磁恒力测量方法和装置，用于端面倾斜角度的调平、端面偏心距离的纠偏、端面间距的设定，这种多功能电磁恒力测量方法和装置，如图2示，该装置包括，偏角调节单元4，仰角调节单元5，上下位移调节单元6，左右位移调节单元7和前后位移调节单元8。其中，偏角调节单元4，仰角调节单元5，上下位移调节单元6，左右位移调节单元7和前后位移调节单元8均设置在与多匝线圈1连接的位置调节装置底座上。

在一个实施例中，多匝线圈1套设于线圈支架的一端，线圈支架的另一端与偏角调节单元4连接。多匝线圈1的一端正对永磁铁2设置。仰角调节单元5设置于偏角调节单元4的底面上并与之连接。左右位移调节单元7设置于仰角调节单元5下方并与之连接。上下位移调节单元6设置于左右位移调节单元7下方并与之连接。前后位移调节单元8设置于上下位移调节单元6下方并与之连接。

其中，偏角调节单元4能够带动多匝线圈1在偏角平面上进行转动(沿图1中的x轴转动)，仰角调节单元5能够带动多匝线圈1在仰角平面上进行转动(沿图1中的y轴转动)，上下位移调节单元6可以带动多匝线圈1沿着垂直方向进行上下滑动(沿图1中z轴方向上下移动)，左右位移调节单元7能够带动多匝线圈1沿着水平方向进行左右滑动(沿图1中y轴方向左右移动)，前后位移调节单元8能够带动多匝线圈1向内外垂直方向进行前后滑动(沿图1中x轴方向前后移动)。该装置具备功能为：1)前后、左右、上下位移调节的能力，以及调节位移的刻度尺；2)围绕x轴和y轴调节旋转角度的能力，以及调节转动角度的刻度盘。即需要三个位移调节、偏角和仰角等两个角度调节(由于线圈与永磁铁相对端面为轴对称不需要滚角调节)的方法和装置。

电磁恒力的产生方法：采用线圈与永磁铁产生电磁标定力方法。采用多匝线圈与永磁铁配对组合产生电磁力(简称“多匝线圈+永磁铁”方法)，多匝线圈由标准的低功率电源直接驱动，实际使用中永磁铁安装扭摆转动部件上。

由于不同线圈匝数、不同永磁铁直径和厚度，可获得不同大小的电磁恒力，因此，根据线圈匝数调节、永磁铁直径和厚度调节，可获得覆盖各种量程范围的电磁恒力，以及研制覆盖各种量程的系列化电磁恒力产生装置。

因此，电磁恒力产生方法是小型化、高精度、宽量程覆盖的有效方法。

如图3，为了通过控制电流实现控制电磁恒力的目的，需要建立电磁恒力与控制电流之间关系。电磁恒力与控制电流之间关系，一般采用线性拟合方法，为

f0(i)＝a0+a1i+δf0(1)

式中，为恒力拟合误差，服从零均值正态分布，根据“3σ”原理拟合误差限为拟合相对误差限为

采用逐渐增大和减小控制电流方法，通过多次进程和回程测量电磁恒力方法，建立电磁恒力与控制电流之间关系；采用线性回归方法，获得电磁恒力与控制电流关系曲线，以及线性拟合误差。

如图4，为电磁恒力产生装置的线圈与永磁铁端面的相对位置。根据实验观察发现多匝线圈和永磁铁相对端面的端面倾斜角度、端面偏心距离、端面间距等，通过改变电磁场分布造成电磁恒力的误差。给定电磁恒力相对误差为1％或1‰，则对应着有效端面倾角(|θ|≤θth)、有效端面偏心距离(|de|≤de,th)、有效端面间距(|ds|≤ds,th)等参数范围并形成共同包络，当这些参数控制在该参数范围或共同包络内，所提供电磁恒力相对误差满足1％或1‰，从而得到高精度电磁恒力。

因此，满足电磁恒力拟合误差为1％或1‰时，电磁恒力与控制电流关系为

f0(i)＝a0+a1i+δf0(|θ|≤θth,|de|≤de,th,|ds|≤ds,th)

(3)

式中，或

电磁恒力安装误差不是因为电磁恒力产生装置的品质造成的，而是由于永磁铁安装位置不合理造成的，如图5所示，为电磁恒力安装误差的示意图。电磁恒力f0方向不垂直转动部件对称面，偏角为α，f0x＝f0cosα为垂直转动部件对称面的分量，f0y＝f0sinα为平行转动部件对称面的分量，lf为力臂，b点为永磁铁安装位置，其偏离转动部件对称面距离为b。

如图5所示，电磁恒力方向垂直转动部件对称面(α＝0)，并且永磁铁安装在转动部件对称面上(b＝0)，在这种理想条件下，电磁恒力f0对转动中心点o的力矩m0＝f0lf。如果电磁恒力方向不垂直转动部件对称面，并且永磁铁安装位置偏离转动部件对称面，此时，电磁恒力f0对转动中心点o的力矩为

m＝(f0cosα)lf-(f0sinα)b

＝f0[cosα-(b/lf)sinα]lf(4)

相当于电磁恒力由理想情况下f0变为f0p＝f0[cosα-(b/lf)sinα]，造成恒力误差。显然，由于电磁恒力方向不垂直转动部件对称面，以及永磁铁安装位置偏离转动部件对称面，所造成恒力误差称为电磁恒力安装误差。

综上所述：

(1)电磁恒力产生装置具有结构简单和质量小、便于安装和调试、恒力量程覆盖范围大的特点。

(2)电磁恒力拟合误差反映拟合重复性误差，影响因素有端面倾斜、端面偏心、端面间距等，即电磁恒力拟合误差包括端面倾斜误差、端面偏心误差和端面间距误差。

(3)电磁恒力安装误差反映电磁恒力产生装置安装使用的合理性，影响因素有恒力方向是否垂直转动部件对称面、永磁铁安装位置是否偏离转动部件对称面，即电磁恒力安装误差包括恒力方向误差和恒力位置误差。

电磁恒力拟合误差分析方法与削减方法

在系统参数的恒力标定方法中，电磁恒力产生方法可提供高精度恒力，有效削减系统参数标定恒力误差，电磁恒力误差包括电磁恒力拟合误差和电磁恒力安装误差，前者与电磁恒力产生方法与装置设计有关反映电磁恒力产生质量高低，后者与电磁恒力产生装置的安装和使用有关反映是否合理使用，因此，削减电磁恒力误差应优先考虑削减和控制电磁恒力拟合误差。

电磁恒力的影响因素分析

如图4所示，为端面倾斜、端面偏心、端面间距的示意图。端面倾斜是指线圈和永磁铁的两个端面不平行，所造成电磁恒力误差，该误差称为电磁恒力端面倾斜误差；端面偏心是指两个端面平行条件下端面中心彼此偏离一定距离，所造成电磁恒力误差，该误差称为电磁恒力端面偏心误差；端面间距是指两个端面平行且无偏心条件下端面之间距离，也会影响电磁标恒力大小，其误差称为电磁恒力端面间距误差。

因此，影响电磁恒力并造成误差的主要因素有：端面倾斜、端面偏心、端面间距。

端面倾斜的调平、端面偏心的纠偏、端面间距的设定等方法

如图6所示，为端面倾斜调平、端面偏心纠偏、端面间距设定的示意图。实验研究表明：1)当端面平行时电磁力最大，随着偏角和仰角增大电磁力减小，并且电磁力关于偏角、仰角是对称分布的，这是端面倾斜的调平实验依据；2)在端面平行条件下，当端面中心重合时电磁力最小，随着端面偏心距离增大电磁力增大，并且电磁力关于端面偏心距离是对称分布的，这是端面偏心的纠偏实验依据；3)在端面倾斜调平、端面偏心纠偏条件下，随着端面距离由小到大逐渐增大，电磁力经历由小到大、由大到小的过程，其中间上凸区间内电磁力变化较缓慢，端面间距设定应在该端面间距范围内，这是端面间距设定的实验依据。

电磁恒力的端面倾斜调平、端面偏心纠偏、端面间距设定的方法为：

(1)端面倾斜的调平方法(正转和反转的调平方法)。分为偏角调平和仰角调平两个过程，以偏角调平为例进行说明，首先，逐渐正向调节偏角，测量得到的电磁力逐渐减小，到达位置①，记录电磁力大小；其次，从位置①开始反向调节偏角，测量得到的电磁力逐渐增大，之后又逐渐减小，当出现与位置①电磁力相等时，到达位置②，记录从位置①到达位置②的转角α；最后，从位置②再反向旋转α/2，达到位置③，实现偏角调平的目的(参看第三章中，传感器削减方向误差方法－正转和反转的对准方法)。仰角调平方法与偏角调平方法相同，通过偏角调平和仰角调平，达到端面倾斜的调平目的。

(2)端面偏心的纠偏方法(正向移动和反向移动的纠偏方法)。分为左右偏心的纠偏和上下偏心的纠偏两个过程，以左右偏心的纠偏为例进行说明，在端面倾斜角度的调平之后，首先，逐渐左向调节位移，测量得到的电磁力逐渐增大，到达位置①，记录电磁力大小；其次，从位置①开始右向调节位移，测量得到的电磁力逐渐减小，之后又逐渐增大，当出现与位置①电磁力相等时，到达位置②，记录从位置①到达位置②的位移w；最后，从位置②再反向调节位移w/2，达到位置③，实现左右偏心的纠偏的目的。上下偏心的纠偏方法与之相同，通过左右偏心的纠偏和上下偏心的纠偏，达到端面偏心的纠偏目的。

(3)端面间距设定的方法。在端面倾斜的调平、端面偏心的纠偏之后，由小到大逐渐改变端面间距，寻找到电磁标定力变化较为缓慢的上凸区间，端面间距设定应在该区间内。

电磁恒力与控制电流的拟合误差分析方法

电磁恒力误差的影响因素有端面倾斜、端面偏心、端面间距等，建立电磁恒力与控制电流关系，必须注明该关系成立的有效端面倾角(有效偏角和仰角表示)、有效端面偏心距离、有效端面间距等条件。

建立电磁恒力与控制电流关系、分析拟合误差的方法为：

(1)给定电磁恒力误差，一般给定相对误差为1％或1‰。

(2)在端面倾斜的调平、端面偏心的纠偏条件下，通过逐渐增大或减小端面间距，建立电磁恒力与端面间距关系f0-ds，在电磁恒力变化较为缓慢区间内，设定某个端面间距ds0，即有当有效端面间距|ds-ds0|≤ds,th时，电磁恒力误差为1％或1‰。

(3)在有效端面间距范围内|ds-ds0|≤ds,th，由端面调平位置分别逐渐增大偏角α和仰角β，分别建立α-ds和β-ds关系曲线，确定电磁恒力误差为1％或1‰时，有效端面偏角为αth和仰角为βth，即有当有效端面偏角|α|≤αth和仰角|β|≤βth时，电磁恒力测量误差为1％或1‰。

(4)在有效端面间距范围内|ds-ds0|≤ds,th，由端面偏心纠偏位置分别逐渐增大偏心距离de，建立de-ds关系曲线，确定电磁恒力误差为1％或1‰时，有效端面偏心距离de,th，即有当有效偏心距离|de|≤de,th时，电磁恒力误差为1％或1‰。

(5)以所需电磁恒力量程f0d≤f0≤f0u为目标，确定控制电流变化区间id≤i≤iu，以及控制电流采样点ii(i＝1,2,…,n)，在逐渐增大或减小控制电流的进程和回程中，对每个电流采样点ii(i＝1,2,…,n)采样多次重复测量电磁力方法，利用步骤(1)至步骤(4)方法，确定有效端面间距、有效偏角和仰角、有效偏心距离等共同包络区间。

(6)在共同包络区间内，采样线性拟合方法，建立电磁恒力和控制电流关系，并确定拟合误差，注明包络边界条件和拟合误差，从而获得电磁恒力与控制电流关系。

电磁恒力与控制电流关系为

f0(i)＝a0+a1i+δf0(|α|≤αth,|β|≤βth,|de|≤de,th,|ds-ds0|≤ds,th)

(5)

式中，为电磁恒力拟合误差，服从零均值正态分布，根据“3σ”原理拟合误差限为拟合相对误差限为

因此，建立电磁恒力与控制电流关系，首先，需要采用电磁恒力测量方法，寻找有效端面倾角、有效偏心距离、有效间距；其次，在该有效包络区间内，采用进程和回程多次重复测量方法，与采用分段线性拟合方法相结合，建立电磁恒力与控制电流关系和确定拟合误差。

为了降低拟合误差、获得更高精度，可采用分段线性拟合方法。削减和控制电磁恒力拟合误差方法，就是选择和控制共同包络区域大小，共同包络区域越小，电磁恒力拟合误差越小，但是对有效端面偏角与仰角、有效端面偏心距离、有效端面间距等约束越严格。

电磁恒力拟合误差分析方法，主要解决了如何产生高精度电磁恒力的问题，之后涉及怎样安装使用才能获得高精度电磁恒力，即涉及电磁恒力安装误差分析问题。电磁恒力误差包括拟合误差和安装误差，安装误差又包括方向误差和位置误差。

电磁恒力安装误差包括方向误差和位置误差，需要对电磁恒力方向误差和位置误差进行描述。如图7所示，以平衡位置时扭摆转动部件对称面为yoz平面、扭摆转轴为z轴，建立右手坐标系，扭摆转动部件对称面围绕z轴转动，扭转角为θ(右手拇指指向z轴方向、食指指向逆时针方向为正)；电磁恒力方向为ab，偏角为α(ab在xoy平面内投影偏右为正、偏左为负)，仰角为β(仰视为正、俯视为负)，即电磁恒力方向误差采用偏角和仰角表示；永磁铁安装在转动部件表面b点处，b点偏离转动部件对称面距离为b，即采用偏离转动部件对称面距离表示永磁铁安装位置误差。

此时，电磁标定力f0的分量为

f0xy＝f0cosβ，f0z＝f0sinβ(7)

式中，f0xy为f0在xoy平面内投影，对扭摆转轴z产生力矩，f0z对扭摆转轴z不产生力矩轴。当α＝β＝0的理想条件下，电磁恒力为f0和力矩为m0＝f0lf，lf为力臂。

当α＝β＝0时交点b的初始坐标(xb0,yb0,zb0)为

xb0＝b，yb0＝lf，zb0＝zb0

矢量可表示为单位方向矢量为

ab直线方程为

ab直线在xoy平面内投影方程为

(tanα)x+y-lf-(tanα)b＝0(9)

原点o到ab直线投影的距离为

力矩为

m＝(f0cosβ)dab＝f0cosβcosα|1+(tanα)(b/lf)|lf(11)

产生力矩的电磁恒力为

f0p＝f0cosβcosα|1+(tanα)(b/lf)|(12)

由于电磁恒力安装误差，所造成电磁恒力误差为

削减安装误差方法

初始参数选择：1)永磁铁偏离转动部件对称面位置易于控制在|b|≤1mm水平，在扭摆测量系统中lf≥10cm，可取|b/lf|＝0.01；2)电磁恒力误差为1‰或1％时，对应偏角和仰角可取0.3°～0.6°。

如图8所示，为b/lf＝0.01时电磁恒力安装误差变化，在偏角和仰角取0.3°～0.6°范围内，由于电磁恒力安装误差所造成的恒力误差小于0.21‰。如图9所示，为b/lf＝-0.01时电磁恒力安装误差变化，电磁恒力安装误差所造成的恒力误差小于0.21‰，并且误差总是关于仰角是对称的。

通过上述讨论可知，只要电磁恒力的偏角和仰角控制在0.3°～0.6°范围内、永磁铁偏离转动部件对称面距离满足|b/lf|＝0.01，电磁恒力误差可忽略不计，可仅考虑电磁恒力拟合误差影响，从而消除了电磁恒力安装误差的影响。

本申请不局限于说明书和权利要求文字部分所限定的内容，任何本领域范围内公知的修改和变化都属于本申请的范围，说明书具体实施例部分仅是对本发明示例性的说明，不是对本发明的具体限定。