但呈菱方形轴对称分布。两组姿态控制线圈分别位于系统 立体空间的另外四个对称面上、且线圈中屯、与面屯、重合。六组线圈的对称中屯、位于系统中 屯、位置处即小磁体回归位置处。根据悬浮控制系统的控制原理，要求姿态控制线圈的线度 大于小磁体的线度，而位置控制线圈的线度小于小磁体的线度，每个线圈与电流控制源连 接，通过对线圈电流大小和方向的控制，实现对小磁体的空间姿态和位置的控制。
[0155] 图4中小磁体选用SmCo5材料，形状为圆柱体或球体，磁矩大小M = 6.25 X IQ-2Am2, 质量Ig，为了减小控制过程中外界对小磁体的扰动，在小磁体外面包裹了非磁性材料，使检 验质量块的质量达到100g;四组位置控制线圈的直径为0.56cm，线圈应数各1OO应，在图2所 示坐标系下，第一组位置控制线圈1、1 /的中屯、坐标分别为（-5cm，1 cm，0)、（5cm，1 cm，0)，第 二组位置控制线圈2、2/的中屯、坐标分别为(-5cm，0，1cm)、（ 5cm，0，1cm)，第S组位置控制线 圈3、3'的中屯、坐标分别为（-5cm，-Icm，0)、（5畑1，-Icm，0)，第四组位置控制线圈4、4'中屯、坐 标分别为（-5cm，0，-lcm)、（5cm，0，-lcm);两组姿态控制线圈的直径1.2畑1，线圈应数100应， 第一组姿态控制线圈5、5^中屯、坐标分别为(0,5畑1，0)、（0，-5畑1，0)，第二组姿态控制线圈6、 6'中屯、坐标分别为（0,0,5cm)、（0,0，-5cm)。
[0156] 通过计算，对于第一组位置控制线圈1,1/，只需施加 ImA左右的电流，就可对小磁 体在y方向施加 ICT8N的力，对于第二组位置控制线圈2,2/，也只需施力日ImA左右的电流，就可 对小磁体在Z方向提供10呵的恢复力，对于第立组位置控制线圈3,3/，只需施加0.5mA的电 流，就可对小磁体在X方向施加 ICT8N的恢复力。对于第一组姿态控制线圈5,5^和第二组姿态 控制线圈6,6/，只需施加0.1mA左右的电流，即可对小磁体提供6.33 X ICTiiNm的转矩用于其 姿态控制，再运用模糊-PID控制算法，即可实现对空间小磁体的悬浮控制。
[0157] 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。
【主权项】
1. 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： 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； 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。2. 如权利要求1所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于:所述的构建小磁体悬浮 控制系统的方法如下： 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（1，1'；2,2'；3,3'；4,4'），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 (5,5'；6,6'），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 审ij，将小磁体等效磁矩方向始终控制在X方向。3. 如权利要求2所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于:所述的位置控制线圈的 控制方法如下： 设位置控制的四对通电线圈相应的磁矩分别记为馬、麻，、仿，、麻4，后1.、 厉,.、厄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，磁矩分别记为麻,=马Μ,Γ，i = l，2,3,4，l/ ,2/ ,3/， 少，Mi为磁矩的大小，Si表示磁矩的方向； 小磁体的磁矩记为Μ，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（1,1/)来作一个分析，先计算廚，对Μ的控制电磁力，设S为从面指向 的矢量，设Μ中屯、所在位置坐标为(x，y，z)，M,相对中屯、所在位置的坐标为(a，b，c)，则有可得到作用于小磁体上的电磁力：同理，对于麻，.对Μ的控制作用，由于严格轴对称，麻1,中屯、所在位置坐标为(-a，b，c)，相 应的5.=(-。-姊· +(6-y)7 + (c-z)完，与Μ的相互作用势为由于χ^Ο，y^O，ζ^Ο，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 ;ri = ;ri'，Μι=Μι' (14) 可见只要控制Si和δι'的取值W及（a，b，c)的取值，就可实现第一对位置控制线圈（1， 1 /)对小磁体电磁力Ξ个方向分量的独立控制。4.如权利要求3所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于： 1) 对于第一对位置控制线圈（1，?υ，取δι = δι'=1或-l，c = 0; 则有： Fxi = -Fxi'，Fyi = Fyi'，Fzi = Fzi' =0 (15) 即实现了 y方向分力的独立控制； 另外当取 δι = 1，δι' =-1 或 δι = -1，δι' =l，c = 0 时 则有： Fxi = Fxi'，Fyi = -Fyi'，Fzi = Fzi' =0 (16) 也可实现X方向分力的独立控制. 2) 对于第二对位置控制线圈（2,2〇,取δ2 = δ2'=1或-l，b = 0; 则有： Fxi = -Fxi'，Fyi = Fyi' = 0，Fzi = Fzi' (17) 即实现了 z方向分力的独立控制； 另外当取δ2 = 1，δ2' =-1 或 δ2 = -1，δ2' =l，b = 0时， 则有： Fxi = Fxi'，Fyi = Fyi' =0，Fzi = -Fzi' (18) 也可实现X方向分力的独立控制. 3) 对于第Ξ对位置控制线圈（3,3〇,取δ3 = 1，δ3'=-1或S3 = -l，S3'=l，c = 0; 则有： Fxi = Fxi'，Fyi = -Fyi'，Fzi = Fzi' =0 (19) 即实现了X方向分力的独立控制，同样地，第Ξ对位置控制线圈（3,3/)也可W实现y方 向的独立控制； 4) 对于第四对位置控制线圈（4，少），也与前面Ξ组线圈作用类似，控制小磁体在x，y，z Ξ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^个 方向的平动，则需要Ξ组控制线圈，第四对位置控制线圈(4，少）作为冗余线圈，当其它Ξ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。5. 如权利要求2所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于:姿态控制线圈的控制方 法如下： 两对姿态控制线圈（5,5/ ;6,6/ )实现对小磁体姿态的控制，相应的磁矩分别记为 厉，、麻。、府5.、近&.，两对姿态控制线圈巧，5/;6,6〇在小磁体区域产生的磁感应强度分 别为马、馬，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，有厉;=厉;.、化=面e.; 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（5，5/)磁场 对它的力矩巧作用，有(20) 由于第一对姿态控制线圈（5,5/)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) 则相应的力矩大小为：(22) 力矩方向垂直于Μ和马构成的平面，很显然在此力矩的作用下，Μ将在XY平面内由y方 向转向X方向；2) 第二对姿态控制线圈（6,6/ )对小磁体磁矩的控制与第一对姿态控制线圈（5,5/ )对 小磁体磁矩的控制是类似的，在力矩巧用下，Μ将在XZ平面内由Z方向转向X方向，相应的 有： (23) 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。6. 如权利要求1所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于:所述小磁体为楠圆形、 圆柱形或球形。7. 如权利要求2所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于:所述小磁体选用永磁体 材料制作。8.如权利要求1所述的空间小磁体悬浮控制方法，其特征在于:所述检测磁体的外侧包 裹有非磁性材料。
【专利摘要】本发明公开了一种空间小磁体悬浮控制方法，涉及空间磁场的控制方法技术领域。所述方法包括如下步骤：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；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。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。
【IPC分类】H02N15/00
【公开号】CN105577035
【申请号】CN201610090217
【发明人】潘礼庆, 杨先卫, 邵明学, 赵华, 丁红胜, 郑胜, 张超, 罗志会, 谭超, 许云丽, 许文年, 李建林
【申请人】三峡大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月18日