一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法技术

本发明专利技术公开了一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，涉及磁悬浮控制技术领域。该方法适合间隙大于10mm的电磁作动器，包括如下步骤：通过电磁作动器静态标定测试系统，测量得到不同位置的等效磁场强度；基于测量得到的数据和等效磁场强度关于位置变量的多项式模型，采用最小二乘法计算所述多项式模型的系数，建立等效磁场强度的多项式模型；依据洛伦兹力原理，建立电磁作动器的输出力模型；采用几何方法计算电磁作动器的等效合力作用点位置，基于所述等效合力作用点位置和所述电磁作动器的输出力模型建立电磁作动器的输出力矩模型。该方法能够满足空间微重力主动隔振控制系统高精度输出控制力和控制力矩的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁悬浮控制
，尤其涉及一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法。
技术介绍
空间主动隔振装置能够有效隔离航天器上的各种扰动，为科学实验载荷提供需求的微重力水平。大间隙电磁作动器因其无机械接触特性，减少了扰动传递途径，并且具有高精度洛伦兹力输出能力，通常被选择作为空间主动隔振装置的执行机构。电磁作动器的工作原理是永磁铁(或电磁铁)产生稳定磁场，通电导线在该磁场中受到洛伦兹力。通过改变通电导线中电流的大小和方向，控制电磁作动器的输出作用。中国科学院空间应用工程与技术中心正在研制的空间微重力主动隔振装置(MicrogravityActiveIsolationSystem,MAIS)，如图1所示，其主体由浮子和定子两部分组成。浮子是科学实验载荷的支承平台，为其提供高微重力环境。定子固联在航天器上，通过脐带线为浮子和载荷提供通讯和电接口。MAIS是利用非接触式电磁激励器、高精度加速度计和位移传感器进行隔振控制的定子和浮子结构平台。通过加速度计感知实验载荷所受的振动加速度，通过位移传感器来感知实验载荷与隔振平台相对位置的变化。加速度和位移信息送到系统控制器，采取闭环控制策略计算需要施加给电磁作动器的电流，产生与扰动大小相等方向相反的作用力来抵消扰动对载荷的干扰，同时保持浮子不与定子碰撞，起到振动隔离的目的。MAIS执行机构由八组单轴电磁作动器构成，为主动隔振控制系统输出空间六自由度控制所需的力和力矩作用。电磁作动器由永磁铁、通电线圈和磁轭组成，如图2所示。电磁作动器的永磁铁固联安装在MAIS的浮子支撑板的同一平面上，通电线圈固联安装在MAIS的定子底板的同一高度上。为实现MAIS执行机构的高精度输出控制作用，需要建立电磁作动器的高精度输出力模型和输出力作用点模型(用于输出力矩的力臂计算)。当通电线圈相对永磁铁的间隙小于1mm时，可以近似认为该间隙范围内永磁铁产生的磁场是均匀的，且通电线圈受到的合力作用点为该间隙的几何中心，在该假设条件下，可以获得电磁作动器的输出简化模型。然而对于空间微重力科学实验，为了实现更低频率(0.01-10Hz)更高水平的微重力环境，大行程是必要的。例如，对于0.01Hz频率1μg幅值的正弦形式的振动加速度，对应位移变化行程为±2.5mm。因此，在0.01Hz频点为提高1μg的微重力水平，需要行程空间大于5mm。工程中MAIS的电磁作动器的间隙为24mm。磁场分布的非线性无法忽略。另外，当通电线圈在磁场中的位置和姿态发生变化时，其所受到的等效合力作用点随之发生变化。简化模型难以满足MAIS对执行机构高精度输出力/力矩要求。因此，建立大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度模型，是实现空间微重力主动隔振装置高微重力水平的重要前提，具有重要的工程实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，电磁作动器的间隙大于10mm，所述方法包括如下步骤：S1，通过电磁作动器静态标定测试系统，测量得到不同位置的等效磁场强度；S2，基于S1测量得到的数据和等效磁场强度关于位置变量的多项式模型，采用最小二乘法计算所述多项式模型的系数，建立等效磁场强度的多项式模型；S3，基于S2建立的所述等效磁场强度的多项式模型，依据洛伦兹力原理，建立电磁作动器的输出力模型；S4，采用几何方法计算电磁作动器的等效合力作用点位置，基于所述等效合力作用点位置和所述电磁作动器的输出力模型建立电磁作动器的输出力矩模型。优选地，S1具体为：电磁作动器的通电线圈平行于永磁铁的N、S极端面，通电线圈中通入某一恒定电流，在电磁作动器的间隙内进行平动，采用力传感器测量不同位置处电磁作动器的输出力，电磁作动器的等效磁场强度表示为输出力与电流的比值。优选地，S2具体为：采用最小二乘法对电磁作动器静态推力标定测试实验数据进行拟合处理，并根据拟合处理的结果确定多项式模型的阶数n；基于n阶多项式模型，采用最小二乘法计算多项式模型的系数。优选地，S3具体为：由洛伦兹力原理可知，电磁作动器的输出力为：式中，系为定义的电磁作动器的坐标系，(M)I为线圈通电电流在系中的表示；(M)B为通电线圈所在位置的磁场强度在系中的表示；L为线圈等效长度；为(M)BL的反对称矩阵，(M)BL为磁场的磁感应强度与等效线圈长度的乘积值在系中的表示，可以采用电磁作动器的等效磁场强度表征，即(M)BL＝(M)f(xm,ym,zm)，则(M)F＝(M)f(xm,ym,zm)·(M)I。优选地，S4具体为：假设电磁作动器的通电线圈有效面积远大于大部分磁通量的横截面积，根据磁场分布的对称性和左手安培力定则可知，等效合力作用点为电磁作动器的永磁铁N、S极端面中心连线段和通电线圈所在平面的交点，当电磁作动器的通电线圈相对永磁铁发生位置和角度变化时，电磁作动器等效合力作用点发生变化，通过几何关系可推导得到电磁作动器的等效合力作用点与变化的相对位置和角度的方程，已知电磁作动器的等效合力的大小、方向和作用点，根据力矩计算公式可推导得到电磁作动器的输出力矩模型。优选地，所述电磁作动器等效合力作用点可通过如下方法获取：定义参考位置，平面SA垂直于线段lNS，等效合力作用点为lNS的中点，点F0、S0、M0、Ms分别为参考位置下系原点、系原点、系原点、平面SA上的点，点分别为当前时刻对应F0、S0、M0、Ms的点；点为当前时刻电磁作动器的等效合力作用点；其中，lNS为永磁铁N、S极端面中心连线段，平面SA为线圈所在平面；系为定子坐标系，坐标系原点为定子质心，固联于定子，系为浮子坐标系，坐标系原点为浮子质心，三轴方向与系相同，固联于浮子，系为电磁作动器的坐标系；等效合力作用点在lNS上，故在系中的表示为：式中，(M)Br(＝[100]T)为永磁铁N、S极端面中心连线的单位方向矢量在系中的表示；为电磁作动器的系的原点M0在系中的表示；k为变化参数；根据浮子相对定子的运动行程约束条件，取-0.01≤k≤0.01，等效合力作用点在平面SA上，故可表示为：式中，(S)IN为电磁作动器的线圈平面法向量在系中的表示，FQS为当前时刻系相对系的坐标变换矩阵，系按照3-2-1旋转θz、θy、θx变换到系，则FQS可以表示为：根据系的定义可知：(S)IN＝FQM·(M)Br(4)根据MAIS运动特性，定子转动运动可以忽略，同时浮子相对定子的姿态角在±2°内，联立式(1)～式(4)可得：式中，为浮子相对定子的相对位移变化量；θ(＝[θxθyθz]T)为系相对系的姿态角；θ×为θ的反对称矩阵，和θ可以由MAIS的测量系统测量解算获得；联立式(1)和式(5)可得等效合力作用点在系中和系中的坐标分别为：本专利技术的有益效果是：本专利技术实施例针对空间主动隔振装置用大间隙电磁作动器，提供了大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，该方法能够满足空间微重力主动隔振控制系统高精度输出控制力和控制力矩的要求。附图说明图1为MAIS八组电磁作动器布局示意图；图2为MAIS中电磁作动器结构示意图；图3为某电磁作动器X方向静态推力测定示意图；图4为某电磁作动器Y方向静态推力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，电磁作动器的间隙大于10mm，所述方法包括如下步骤：S1，通过电磁作动器静态标定测试系统，测量得到不同位置的等效磁场强度；S2，基于S1测量得到的数据和等效磁场强度关于位置变量的多项式模型，采用最小二乘法计算所述多项式模型的系数，建立等效磁场强度的多项式模型；S3，基于S2建立的所述等效磁场强度的多项式模型，依据洛伦兹力原理，建立电磁作动器的输出力模型；S4，采用几何方法计算电磁作动器的等效合力作用点位置，基于所述等效合力作用点位置和所述电磁作动器的输出力模型建立电磁作动器的输出力矩模型。

【技术特征摘要】
1.一种大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，电磁作动器的间隙大于10mm，所述方法包括如下步骤：S1，通过电磁作动器静态标定测试系统，测量得到不同位置的等效磁场强度；S2，基于S1测量得到的数据和等效磁场强度关于位置变量的多项式模型，采用最小二乘法计算所述多项式模型的系数，建立等效磁场强度的多项式模型；S3，基于S2建立的所述等效磁场强度的多项式模型，依据洛伦兹力原理，建立电磁作动器的输出力模型；S4，采用几何方法计算电磁作动器的等效合力作用点位置，基于所述等效合力作用点位置和所述电磁作动器的输出力模型建立电磁作动器的输出力矩模型。2.根据权利要求1所述的大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，S1具体为：电磁作动器的通电线圈平行于永磁铁的N、S极端面，通电线圈中通入某一恒定电流，在电磁作动器的间隙内进行平动，采用力传感器测量不同位置处电磁作动器的输出力，电磁作动器的等效磁场强度表示为输出力与电流的比值。3.根据权利要求1所述的大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，S2具体为：采用最小二乘法对电磁作动器静态推力标定测试实验数据进行拟合处理，并根据拟合处理的结果确定多项式模型的阶数n；基于n阶多项式模型，采用最小二乘法计算多项式模型的系数。4.根据权利要求1所述的大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，S3具体为：由洛伦兹力原理可知，电磁作动器的输出力为：F(M)=I(M)·L×B(M)=-BL×(M)·I(M)]]>式中，系为定义的电磁作动器的坐标系，(M)I为线圈通电电流在系中的表示；(M)B为通电线圈所在位置的磁场强度在系中的表示；L为线圈等效长度；为(M)BL的反对称矩阵，(M)BL为磁场的磁感应强度与等效线圈长度的乘积值在系中的表示，可以采用电磁作动器的等效磁场强度表征，即(M)BL＝(M)f(xm,ym,zm)，则(M)F＝(M)f(xm,ym,zm)·(M)I。5.根据权利要求1所述的大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，S4具体为：假设电磁作动器的通电线圈有效面积远大于大部分磁通量的横截面积，根据磁场分布的对称性和左手安培力定则可知，等效合力作用点为电磁作动器的永磁铁N、S极端面中心连线段和通电线圈所在平面的交点，当电磁作动器的通电线圈相对永磁铁发生位置和角度变化时，电磁作动器等效合力作用点发生变化，通过几何关系可推导得到电磁作动器的等效合力作用点与变化的相对位置和角度的方程，已知电磁作动器的等效合力的大小、方向和作用点，根据力矩计算公式可推导得到电磁作动器的输出力矩模型。6.根据权利要求5所述的大间隙电磁作动器洛伦兹力高精度建模方法，其特征在于，所述电磁作动器等效合力作用点可通过如下方法获取：定义参考位置，平面SA垂直于线段lNS，等效合力作用点为lNS的中点，点F0、S0、M0、Ms分别为参考位置下系原点、系原点、系原点、平面SA上的点，点分别为当前时刻对应F0、S0、M0、Ms的点；点为当前时刻电磁作动器的等效合力作用点；其中，lNS为永磁铁N、S极端面中心连线段，平面SA为线圈所在平面；系为定子坐标系，坐标系原点为定子质心，固联于定子，系为浮子坐标系，坐标系原点为浮子质心，三轴方向与系相同，固联于浮子，系为电磁作动器的坐标系；等效合力作用点在lNS上，故在系中的表示为：r(F)M0*Mf*=r(F)F0*M0*-r(F)M0*Mf*=r(F)F0M0+k·QFM·B(M)r=r(S)F0Ms+k·QFM·B(M)r---(1)]]>式中，(M)Br(＝[100]T)为永磁铁N、S极端面中心连线的单位方向矢量在系中的表示；为电磁作动器的系的原点M0在系中的表示；k为变化参数；根据浮子相对定子的运动行程约束条件，取-0.01≤k≤0.01，等效合力作用点在平面SA上，故可表示为：(QFS·I(S)N)T·[r(F)F0*Mf*-QFS·(r(S)S0*Ms*-r(S)S0*F0*)]=0---(2)]]>式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，高扬，李宗峰，董文博，
申请(专利权)人：中国科学院空间应用工程与技术中心，
类型：发明
国别省市：北京;11