曹宇，賈巧嬌，王世明,2

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋可再生能源研究中心，上海 201306）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電磁設(shè)備正廣泛地在航空、航天、高鐵領(lǐng)域應(yīng)用[1,2]。非接觸磁浮機(jī)構(gòu)是典型的電磁控制設(shè)備，具有高帶寬、無(wú)摩擦、高精度力控性能等優(yōu)勢(shì)，可以顯著提升操作平臺(tái)的控制性能[3]。唐忠興等[4]開(kāi)展了高精度非接觸磁浮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其輸出特性測(cè)試研究，驗(yàn)證了“雙超”衛(wèi)星地面驗(yàn)證方案的可行性；謝進(jìn)進(jìn)等[5]針對(duì)操作平臺(tái)電磁兼容問(wèn)題，開(kāi)展了非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的電磁干擾特性研究。傳統(tǒng)的非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力檢測(cè)多采用單自由度檢測(cè)方式，采集區(qū)域受限，需要增加自由度數(shù)提高非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的輸出特性測(cè)試區(qū)域并滿(mǎn)足高精度測(cè)試要求。薛蕾等[6]以L(fǎng)ab-VIEW為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)了一維度比例電磁鐵性能測(cè)試系統(tǒng)；王祖堯等[7]開(kāi)展了兩自由度磁力懸浮非線(xiàn)性振動(dòng)能量采集研究。

本文采用穩(wěn)定可靠的雙輸出可編程電流源、三維位移電動(dòng)平臺(tái)、光柵尺、上位機(jī)、工控機(jī)等設(shè)備，配合先進(jìn)成熟的控制及檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)有效的降振降噪處理，實(shí)現(xiàn)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)洛倫茲力多自由度檢測(cè)。

1 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)測(cè)試工作原理

非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的核心工作原理如圖1所示。

圖1 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

在磁軛上安裝有永磁體，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)激勵(lì)線(xiàn)圈。激勵(lì)線(xiàn)圈由兩組線(xiàn)圈構(gòu)成，一組在磁場(chǎng)范圍內(nèi)沿水平向繞制，另一組在磁場(chǎng)范圍內(nèi)沿豎直向繞制。當(dāng)兩組線(xiàn)圈中分別通入電流后，將產(chǎn)生豎直和水平方向的洛倫茲力。對(duì)于洛倫茲力的測(cè)量基于公式(1)，可轉(zhuǎn)化為對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈豎直方向力變化的測(cè)量，并得到輸出弱磁力與控制電流的定量匹配關(guān)系。

其中ΔFN為洛倫茲力變化值，ΔI為控制電流變化值，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為線(xiàn)圈移動(dòng)位移。

2 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由精密可調(diào)節(jié)電流源子系統(tǒng)模塊、自存儲(chǔ)防磁力傳感器子系統(tǒng)模塊、相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制及檢測(cè)平臺(tái)子系統(tǒng)模塊、上位機(jī)中控系統(tǒng)平臺(tái)模塊等組成。非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖

洛倫茲力測(cè)試布置如圖3所示，將非接觸磁浮機(jī)構(gòu)激勵(lì)器的磁缸固定在吊裝臂上，激勵(lì)線(xiàn)圈放置在萬(wàn)分級(jí)自存儲(chǔ)防磁電子天平的載物臺(tái)上，利用電子天平測(cè)量激勵(lì)器輸出力（Z向）豎直方向的數(shù)值，電子天平可以反饋時(shí)歷結(jié)果給上位機(jī)；通過(guò)角度調(diào)節(jié)器，改變磁浮機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈XZ平面內(nèi)的角度，記錄磁浮機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈與磁極垂向相對(duì)角度；同時(shí)吊裝臂與三維電動(dòng)平移臺(tái)連接，可實(shí)現(xiàn)磁缸相對(duì)磁路部分在預(yù)定的路線(xiàn)內(nèi)移動(dòng)，可自行設(shè)計(jì)空間x、y和z向平移路線(xiàn)，三維電動(dòng)平移臺(tái)可以反饋時(shí)歷位移結(jié)果給上位機(jī)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)激勵(lì)線(xiàn)圈(旋轉(zhuǎn)90度)，通過(guò)坐標(biāo)換算進(jìn)而測(cè)量同一路徑下的激勵(lì)器輸出力水平方向的數(shù)值；相關(guān)數(shù)據(jù)可通過(guò)上位機(jī)中控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，軟件具有良好的用戶(hù)交互性及現(xiàn)場(chǎng)展示功能。

圖3 洛倫茲力測(cè)試方案布置圖

為了降低氣流、聲音、平臺(tái)振動(dòng)、平衡度影響，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置了液壓式平衡臺(tái)，平衡臺(tái)表面采取蜂窩狀設(shè)計(jì)，并在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)外部設(shè)置玻璃罩，隔絕聲音，氣流影響。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

3.1 精密可調(diào)節(jié)電流源子系統(tǒng)模塊

為檢測(cè)系統(tǒng)工作提供穩(wěn)定電流源，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行控制信號(hào)傳輸及電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋。需要配置電流源如圖5所示，恒流源采用DSP控制回路，配置原理圖如圖7所示。子系統(tǒng)滿(mǎn)足具備2路獨(dú)立可調(diào)節(jié)電流輸出，每路輸出電流范圍為[0～1]A；輸出電流從0.5mA到100mA，絕對(duì)誤差≤0.5mA；輸出電流100mA到1A，相對(duì)誤差0.5%；供電輸入為220V交流電，地面設(shè)備內(nèi)具備過(guò)載保護(hù)功能。

圖5 電流源設(shè)備

圖6 恒流源配置原理圖

圖7 上位機(jī)中控系統(tǒng)管理軟件主界面

3.2 自存儲(chǔ)防磁力傳感器子系統(tǒng)模塊

為檢測(cè)輸出的洛倫茲力數(shù)值提供自存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋。子系統(tǒng)配置萬(wàn)分級(jí)防磁力電子天平，滿(mǎn)足檢測(cè)力的范圍為[0～0.1]N，輸出力范圍5×10-5N到1×10-2N，洛倫茲力檢測(cè)絕對(duì)誤差≤5×10-5N；輸出力范圍1×10-2N到0.1N，相對(duì)誤差0.5%。考慮到激勵(lì)線(xiàn)圈和天平的移動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度，基于相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，本設(shè)計(jì)選擇磁缸運(yùn)動(dòng)，線(xiàn)圈和天平不動(dòng)。

3.3 相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制及檢測(cè)平臺(tái)子系統(tǒng)模塊

為檢測(cè)系統(tǒng)線(xiàn)圈與磁極提供三維空間相對(duì)位移，檢測(cè)相對(duì)位置坐標(biāo)，具備自存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋。子系統(tǒng)配置三維電動(dòng)平移臺(tái)，滿(mǎn)足磁浮機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈與磁極在三維空間范圍內(nèi)每維方向相對(duì)位置變化范圍為±10mm；在三維空間±10mm范圍內(nèi)檢測(cè)磁浮機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈與磁極三維空間相對(duì)位置坐標(biāo)，坐標(biāo)檢測(cè)精度優(yōu)于0.05mm，最小步距10μm。

3.4 上位機(jī)中控系統(tǒng)平臺(tái)模塊

上位機(jī)中控系統(tǒng)作為核心控制單元，通過(guò)編制上位機(jī)中控系統(tǒng)管理軟件，控制卡以9010或9030發(fā)出串口控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三維電動(dòng)位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)磁缸運(yùn)動(dòng)；精密可調(diào)節(jié)電流源輸出可控電流，使激勵(lì)線(xiàn)圈通電切割磁感線(xiàn)；三維電動(dòng)平移臺(tái)絲桿設(shè)置編碼器實(shí)時(shí)輸出脈沖信號(hào)，以獲得磁缸與激勵(lì)線(xiàn)圈的實(shí)時(shí)相對(duì)位置，三維位移臺(tái)具有位置反饋功能；設(shè)置回零功能，在找到零點(diǎn)之后，運(yùn)動(dòng)軸停止，編碼器與指令位置均清零重置；具有I/O檢測(cè)功能，能快捷控制輸出口的通斷。

4 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試

為檢驗(yàn)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定，結(jié)果精度是否滿(mǎn)足需求，進(jìn)行了樣品檢測(cè)試驗(yàn)。具體測(cè)試步驟及結(jié)果如下。

4.1 測(cè)試步驟

1）調(diào)整水平減振臺(tái)使臺(tái)面處于水平位置，保證檢測(cè)系統(tǒng)整體水平。

2）登錄上位機(jī)中控系統(tǒng)管理軟件，軟件界面如圖7所示，通過(guò)控制三維位移臺(tái)，調(diào)整磁缸與線(xiàn)圈的位置，使磁缸完全罩住激勵(lì)線(xiàn)圈，三維電動(dòng)位移臺(tái)參數(shù)設(shè)置界面如圖8所示。

圖8 三維電動(dòng)位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置界面

3）防磁力電子天平天平標(biāo)定置零；

4）設(shè)定電流源采集數(shù)據(jù)間隔為1000ms，步驟如圖9所示，電流源設(shè)定初始電流0.01A，電流步長(zhǎng)為0.01A每10s變更遞進(jìn)，電流最大值為0.1A，共測(cè)試10組電源采樣數(shù)據(jù)。

圖9 電流源采集數(shù)據(jù)間隔設(shè)置界面

5）設(shè)置天平數(shù)據(jù)采集間隔為10s，共測(cè)試10組天平采樣數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 天平數(shù)據(jù)采集設(shè)置界面

6）上位機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)得天平及電流源數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 天平測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 電流源測(cè)試數(shù)據(jù)

如表1所示，天平讀數(shù)隨電流增加而線(xiàn)性增加，且增量平均數(shù)值為0.1092，增量波動(dòng)平均絕對(duì)值為0.002238g，換算洛倫茲力測(cè)試誤差為2.19324×10-5N，自存儲(chǔ)防磁力傳感器子系統(tǒng)模塊滿(mǎn)足功能需求。

如表2所示，電流源測(cè)試數(shù)據(jù)在前10000ms均可以穩(wěn)定在0.01A附近，誤差范圍為10-5A。11000ms跳變?yōu)?，然后增至0.02A，仍可保持穩(wěn)定輸出，精密可調(diào)節(jié)電流源子系統(tǒng)模塊滿(mǎn)足功能需求。

三維平臺(tái)電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖為3200轉(zhuǎn)，絲杠導(dǎo)程為4mm，傳動(dòng)比為1，三維平臺(tái)位移精度為1.25um，且三維平臺(tái)三軸導(dǎo)程皆大于10cm，線(xiàn)圈與磁極平面內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)通過(guò)二維電動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)，其垂向運(yùn)動(dòng)可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制及檢測(cè)平臺(tái)子系統(tǒng)模塊滿(mǎn)足功能需求。

上位機(jī)中控系統(tǒng)平臺(tái)模塊在使用過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，三維電動(dòng)位移平臺(tái)位移數(shù)據(jù)具備實(shí)時(shí)保存功能，電流源與天平數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)按照時(shí)間間隔采樣保存。

5 結(jié)語(yǔ)

非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的雙輸出可編程電流源、三維位移電動(dòng)平臺(tái)、光柵尺、上位機(jī)、工控機(jī)等設(shè)備，配合先進(jìn)成熟的控制及檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)有效的降振降噪處理，實(shí)現(xiàn)了非接觸磁浮機(jī)構(gòu)洛倫茲力多自由度檢測(cè)。非接觸磁浮機(jī)構(gòu)弱磁力多維檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際的樣品檢測(cè)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況反饋，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足工程精度要求，而且具有很好的抗干擾能力，達(dá)到了企業(yè)的預(yù)期效果。