[发明专利]一种磁悬浮执行器解耦器的设计实现方法

说明书

本发明属于磁悬浮技术领域，公开了一种磁悬浮执行器解耦器的设计实现方法，该解耦器采用伪逆矩阵变换利用电流‑动力传递矩阵求解得到线圈中驱动电流的大小，运用基于空间有限差分的数值计算方法计算得到电流‑动力传递矩阵，基于数值计算方法的SIMD范式以及FPGA的流水线架构，实现数值计算方法的实时计算，从而最终实现磁悬浮执行器的实时解耦。本发明解决了现有解耦方法中解耦精度低、通用性差的问题。采用本发明提供的实时解耦器可以提高磁浮执行器的控制精度以及运动范围。

技术领域

本发明属于磁悬浮转台运动控制技术领域，尤其涉及一种磁悬浮执行器解耦器的设计实现方法。

背景技术

对于磁悬浮工作台实时控制系统而言，为了达到良好的控制效果，通常会根据相关设计指标的不同选用不同的控制方法。但不论采用何种控制算法，实现磁悬浮工作台良好控制效果的前提是根据磁悬浮工作台的电磁模型对驱动电流进行精准解算，即实现力-电流的精确解耦。

现有的力-电流解耦主要依赖于磁悬浮工作台的电磁模型，通常会采用曲线拟合、查找表法以及解析电磁模型实现对控制器所输出的期望磁力及力矩的解算，求取每个线圈中驱动电流的大小。

曲线拟合及查找表法能够实现力-电流的实时解耦，但由于其数据量有限，会对磁悬浮工作台的运动分辨率带来限制。兼顾磁浮执行器平动和转动的解析模型在多自由度大行程运动中，计算误差较大，无法实现此运动状态下力-电流的精准解耦，同样会影响磁悬浮工作台的实时控制效果。

相较于解析电磁模型，数值电磁模型不受运动自由度和行程增多的影响，在六自由度运动系统中仍能实现磁力和磁力矩的准确计算，从而实现准确解耦。然而，对于磁悬浮工作台实时控制系统而言，力-电流的解耦过程必须满足实时性要求，即解耦计算所需时间必须小于控制系统的采样周期。传统的数值模型计算量大，无法满足实时性要求。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种型磁悬浮执行器解耦器的设计方法，以解决现有磁悬浮执行器解耦方法中解耦精度低，通用性差的问题。

本申请实例提供一种通用型磁悬浮执行器解耦器，主要包括以下步骤：

步骤1：利用有限差分方法求解磁悬浮执行器磁体阵列的空间磁场分布。为了获取磁体阵列精确的磁场分布情况，对其空间磁场所分布区域进行空间网格划分，将连续的磁场分布转化为离散化的各网格节点磁场强度的大小，运用有限差分方法，对经由麦克斯韦方程组推导得到的拉普拉斯方程进行求解，最终得到空间中各网格结点处磁标量的大小，最终结合麦克斯韦方程求解得到空间各网格结点处磁场强度，磁场强度表达式为：

其中，B_x(i，j，k)、B_y(i，j，k)、B_z(i，j，k)分别表示在编号为(i,j,k)空间结点处沿x、y以及z方向的磁场强度大小，表示在编号为(i,j,k)空间结点处磁标量的大小，Δh表示网格划分的步进长度。

步骤2：利用高斯积分求解无铁芯线圈与磁体阵列的相互作用，从而求解得到电流-动力传递矩阵。离散化求解磁体阵列空间磁场分布的情况下，为了求解线圈与磁体阵列间的相互作用，利用高斯积分对洛伦兹积分近似求解，将积分形式转化为求和形式，此时，磁力及磁力矩表达式为：

其中，^cE_jk代表第j块磁体上第k个磁荷节点的坐标，q代表如图3所示将线圈分为四部分区域的索引号，分别代表高斯积分的权重，点^cS坐标为高斯积分节点坐标，其与高斯积分积分点坐标以及线圈的尺寸及位置相关。