六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法

摘要

本发明涉及一种六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法。所述六自由度可控式磁悬浮机构包括定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统和平转驱动系统；所述定子包括定子基座、设置在定子基座中心位置上的定子吸合磁体以及设置在定子基座上的托举磁环；所述托举磁环呈圆环状设置并以定子吸合磁体为圆心；所述浮子包括浮子基座、设置在浮子基座中心位置上的浮子吸合磁体以及设置在浮子基座上的浮子悬浮磁体。本发明将悬浮、定位与位置调整这三大功能模块进行完全的分离，并且加装了平转驱动系统，因此，本发明磁悬浮机构除了能完成悬浮功能之外，还能够在一定范围内任意控制浮子的悬浮高度、悬浮角度、悬浮旋转速度等。

权利要求

1.一种六自由度可控式磁悬浮机构，其特征是，包括：定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统和平转驱动系统；

所述定子包括定子基座、设置在定子基座中心位置上的定子吸合磁体以及设置在定子基座上的托举磁环；所述托举磁环呈圆环状设置并以定子吸合磁体为圆心；

所述浮子包括浮子基座、设置在浮子基座中心位置上的浮子吸合磁体以及设置在浮子基座上的浮子悬浮磁体；所述浮子基座为圆形或对称多边形板体，所述浮子吸合磁体与所述定子吸合磁体以异性磁极相对的方式上下相对，以形成对浮子定位的吸合磁场；所述浮子悬浮磁体有三个以上，具有相同的形状和相同的磁场强度，均匀分布在靠近浮子基座边沿处的一个以浮子吸合磁体为圆心的圆周上，其与托举磁环以同极性相对的方式上下相对，以形成支撑浮子的悬浮磁场；

所述浮子状态检测系统包括浮子状态传感器和浮子定位磁体；所述浮子状态传感器有若干个，分布在定子基座上的一个以定子吸合磁体为圆心的圆周上，并位于托举磁环的环圈内；所述浮子状态传感器用于检测浮子悬浮高度、浮子基座与定子基座之间的悬浮角度以及浮子基座相对于定子基座之间的静止或旋转状态；所述浮子定位磁体设置在浮子基座上的一个以浮子吸合磁体为中心的圆周上，且与定子基座上的浮子状态传感器上下相对；

所述悬浮驱动系统包括设置在定子基座上的悬浮控制线圈以及与悬浮控制线圈和浮子状态传感器电连接的悬浮调整单元；所述悬浮控制线圈环绕在所述定子吸合磁体上；所述悬浮调整单元用于接收浮子状态传感器检测的浮子状态数据，并根据检测数据调整所述悬浮控制线圈产生的磁力大小，以控制浮子的悬浮高度；

所述平转驱动系统包括设置在定子基座上的平转控制线圈以及与平转控制线圈和浮子状态传感器电连接的平转驱动单元；所述平转控制线圈有若干个，均布在所述托举磁环的内侧和/或外侧；所述平转驱动单元用于接收所述浮子状态传感器检测的浮子状态数据，并根据检测数据调整所述平转驱动线圈的磁极方向和所产生的磁力大小，以使浮子分别处于静止、旋转或偏摆的状态。

2.根据权利要求1所述的六自由度可控式磁悬浮机构，其特征是，还包括控制系统；

所述控制系统包括控制单元和功率驱动电路；所述控制单元分别与功率驱动电路和浮子状态传感器相接，用于实时接收传感器数据、实时解算磁悬浮机构中每个线圈的通电规律或状态，向功率驱动电路发出控制信号；所述功率驱动电路分别与控制单元、悬浮调整单元和平转驱动单元相接，用于对控制单元发出的控制信号进行功率放大，以调整浮子的悬浮状态和/或对浮子进行平转驱动。

3.根据权利要求1所述的六自由度可控式磁悬浮机构，其特征是，所述托举磁环为闭合的磁性圆环体，或是由若干板块状磁钢合围成的圆环圈。

4.根据权利要求1所述的六自由度可控式磁悬浮机构，其特征是，浮子定位磁体所在圆周的半径等于浮子状态传感器所在圆周的半径。

5.根据权利要求1所述的六自由度可控式磁悬浮机构，其特征是，每个浮子悬浮磁体与其下方的一个或相邻的几个平转控制线圈上下相对。

6.根据权利要求1所述的六自由度可控式磁悬浮机构，其特征是，所述浮子定位磁体的磁场作用于一个或相邻的几个浮子状态传感器，以得到相互关联的检测信号；检测信号经处理器计算后，得到浮子的几何中心相对于浮子状态传感器的垂直高度；通过计算在位置上对称于浮子吸合磁体的两个浮子定位磁体相对于定子基座的高度差，即可得到浮子在对应方向上的倾角。

7.一种磁悬浮机构的六自由度控制方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置权利要求1所述的六自由度可控式磁悬浮机构；

b、以定子吸合磁体为原点、以定子基座的中垂线为纵轴，设立OXYZ三维直角坐标系；

c、利用浮子状态检测系统对浮子的悬浮状态进行检测，并将检测到的浮子状态数据传给控制单元，控制单元根据浮子需要达到的设定悬浮高度、位置以及浮子状态检测系统所检测到的浮子状态数据，解算出磁悬浮机构中每个线圈的通电规律或状态，形成并发出相应的控制信号，以调整悬浮控制线圈产生的磁力的大小和方向，控制浮子运行到所设定的悬浮垂直高度；

d、悬浮驱动系统利用悬浮控制线圈所具有的磁吸合方式，控制浮子在XOY平面上保持稳定地居中；

e、利用浮子状态检测系统对浮子的平转状态进行检测，并将检测到的浮子状态数据传送给控制单元，控制单元根据浮子绕Z轴旋转的设定方向、速度以及浮子状态检测系统所检测到的浮子状态数据，形成并发出相应的控制信号，控制平转控制线圈的顺序通电方式，使位于平转驱动线圈上方的浮子悬浮磁体受到一个具有水平方向分力并且可控的扭矩的作用，以对浮子进行在XOY平面上的旋转控制；

f、在浮子处于静止的悬浮状态下，控制单元通过平转驱动电路对平转控制线圈的驱动，产生一个对于浮子悬浮磁体的作用力，在不破坏浮子整体平衡的情况下，使浮子的几何平面与XOY平面形成一个夹角，即浮子相对定子基座产生一个固定角度的倾侧；通过连续改变浮子的倾侧角度，即可控制浮子沿某一水平轴线在某一范围内的动态偏摆；

g、在浮子处于平转的悬浮状态下，控制单元通过平转驱动电路对某些固定位置上的平转控制线圈进行电流强度的调整，使浮子在平面上保持某一倾侧角度的水平旋转，或是使旋转的浮子完成动态偏摆动作。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮机构的六自由度控制方法，其特征是，所述浮子定位磁体的磁场作用于一个或相邻的几个浮子状态传感器，以得到相互关联的检测信号；检测信号经处理器计算后，得到浮子的几何中心相对于浮子状态传感器的垂直高度；通过计算在位置上对称于浮子吸合磁体的两个浮子定位磁体相对于定子基座的高度差，即可得到浮子在对应方向上的倾角。

说明书

六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种磁悬浮装置，具体地说是一种六自由度可控式磁悬浮机构及其六自由度控制方法。

背景技术

[0002] 磁悬浮系统是一类复杂的机械电子系统，其基本原理是利用磁力使物体处于无机械接触的悬浮状态。基于典型的机电一体化和自动控制的磁悬浮技术是一种涉及多个工程领域的综合技术，其相关产品具有巨大的实用价值而广泛应用于从工业、交通、科研、医学到教学、玩具、观赏等诸多领域，也形成了相关的产业。

[0003] 对于基于磁斥原理的磁悬浮系统而言，其浮子在所处的三维空间内具有完全的六个自由度，分别是在X、Y、Z轴方向上的偏移和在X、Y、Z轴方向上的转矩。然而，现有的磁悬浮系统均不能进行其浮子水平旋转的控制。其六个自由度中只有X、Y轴方向上的偏移是可以通过平面布置的电磁铁予以控制的。因为浮子本身具有了低重心结构，即在X、Y轴方向的转矩为零，使得其自身能够保持稳定，不会翻转。由于磁悬浮系统在Z轴方向的移位是由定子的磁斥力予以平衡，所以，在理想的磁悬浮控制状态下，浮子应该是完全静止的。

[0004] 就实际情况而言，磁悬浮系统很难做到完全的平衡，其不平衡的效果就会体现在浮子不受控制的自由度上，即体现在其Z轴上的转矩。有鉴于此，Z轴转矩上任何一个很小的干扰，都会因浮子在这个方向上没有任何的阻尼而显现出不稳定的状态，从而表现为浮子围绕Z轴转动的现象。

[0005] 由于现有磁悬浮系统对Z轴方向的转矩均无约束，所以其缺点明显，就是其浮子会在X、Y轴的二维平面中围绕Z轴产生无法受控的和缓慢的自由转动。

发明内容

[0006] 本发明的目的之一就是提供一种六自由度可控式磁悬浮机构，以解决现有磁悬浮系统存在的浮子围绕立轴产生不可控转动以及在水平面内无法控制其倾侧和偏摆的问题。

[0007] 本发明的目的之二就是提供一种磁悬浮机构的六自由度控制方法，以实现磁悬浮机构的三维六自由度的运动控制。

[0008] 本发明的目的之一是这样实现的：一种六自由度可控式磁悬浮机构，包括定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统和平转驱动系统。

[0009] 所述定子包括定子基座、设置在定子基座中心位置上的定子吸合磁体以及设置在定子基座上的托举磁环；所述托举磁环呈圆环状设置并以定子吸合磁体为圆心。

[0010] 所述浮子包括浮子基座、设置在浮子基座中心位置上的浮子吸合磁体以及设置在浮子基座上的浮子悬浮磁体；所述浮子基座为圆形或对称多边形板体，所述浮子吸合磁体与所述定子吸合磁体以异性磁极相对的方式上下相对，以形成对浮子定位的吸合磁场；所述浮子悬浮磁体有三个以上，具有相同的形状和相同的磁场强度，均匀分布在靠近浮子基座边沿处的一个以浮子吸合磁体为圆心的圆周上，其与托举磁环以同极性相对的方式上下相对，以形成支撑浮子的悬浮磁场。

[0011] 所述浮子状态检测系统包括浮子状态传感器和浮子定位磁体；所述浮子状态传感器有若干个，分布在定子基座上的一个以定子吸合磁体为圆心的圆周上，并位于托举磁环的环圈内；所述浮子状态传感器用于检测浮子悬浮高度、浮子基座与定子基座之间的悬浮角度以及浮子基座相对于定子基座之间的静止或旋转状态；所述浮子定位磁体设置在浮子基座上的一个以浮子吸合磁体为中心的圆周上，且与定子基座上的浮子状态传感器上下相对。

[0012] 所述悬浮驱动系统包括设置在定子基座上的悬浮控制线圈以及与悬浮控制线圈和浮子状态传感器电连接的悬浮调整单元；所述悬浮控制线圈环绕在所述定子吸合磁体上；所述悬浮调整单元用于接收浮子状态传感器检测的浮子状态数据，并根据检测数据调整所述悬浮控制线圈产生的磁力大小，以控制浮子的悬浮高度。

[0013] 所述平转驱动系统包括设置在定子基座上的平转控制线圈以及与平转控制线圈和浮子状态传感器电连接的平转驱动单元；所述平转控制线圈有若干个，均布在所述托举磁环的内侧和/或外侧；所述平转驱动单元用于接收所述浮子状态传感器检测的浮子状态数据，并根据检测数据调整所述平转驱动线圈的磁极方向和所产生的磁力大小，以使浮子分别处于静止、旋转或偏摆的状态。

[0014] 本发明磁悬浮机构还包括控制系统。所述控制系统包括控制单元和功率驱动电路；所述控制单元分别与功率驱动电路和浮子状态传感器相接，用于实时接收传感器数据、实时解算磁悬浮机构中每个线圈的通电规律或状态，向功率驱动电路发出控制信号；所述功率驱动电路分别与控制单元、悬浮调整单元和平转驱动单元相接，用于对控制单元发出的控制信号进行功率放大，以调整浮子的悬浮状态和/或对浮子进行平转驱动。

[0015] 所述托举磁环为闭合的磁性圆环体，或是由若干板块状磁钢合围成的圆环圈。

[0016] 浮子定位磁体所在圆周的半径等于浮子状态传感器所在圆周的半径。

[0017] 每个浮子悬浮磁体与其下方的一个或相邻的几个平转控制线圈上下相对。

[0018] 所述浮子定位磁体的磁场作用于一个或相邻的几个浮子状态传感器，以得到相互关联的检测信号；检测信号经处理器计算后，得到浮子的几何中心相对于浮子状态传感器的垂直高度；通过计算在位置上对称于浮子吸合磁体的两个浮子定位磁体相对于定子基座的高度差，即可得到浮子在对应方向上的倾角。

[0019] 本发明磁悬浮结构是基于六自由度的可控式磁悬浮技术，使用了一种全新的磁斥型悬浮控制技术。其技术关键是，首先从物理结构上将悬浮、定位与位置调整这三大功能模块进行完全的分离，并且加装了平转驱动系统。进而，通过控制系统完成统一的关联、优化和控制。因此，本发明磁悬浮机构除了能完成悬浮功能之外，还能够在一定范围内任意控制浮子的悬浮高度、悬浮角度、悬浮旋转速度等。

[0020] 具体说来，就是可以进行浮子浮起高度（Z轴方向）的调整，限制浮子的水平偏移（X轴、Ｙ轴方向），控制浮子水平方向上的倾侧和偏摆（围绕X轴、围绕Y轴）。重要的是，可控制浮子围绕Z轴的水平转动或是使其保持静止状态，从而克服了现有磁悬浮系统存在的浮子围绕Z轴产生不可控转动的问题，由此实现了三维六自由度的运动或静止的可控。此类灵活的控制方式，尚可运用到多个相近领域。

[0021] 本发明的目的之二是这样实现的：一种磁悬浮机构的六自由度控制方法，包括以下步骤：

[0022] a、设置本发明所述的六自由度可控式磁悬浮机构。

[0023] b、以定子吸合磁体的中心为原点、以定子基座的中垂线为纵轴，设立OXYZ三维直角坐标系。

[0024] c、利用浮子状态检测系统对浮子的悬浮状态进行检测，并将检测到的浮子状态数据传给控制单元，控制单元根据浮子需要达到的设定悬浮高度、位置以及浮子状态检测系统所检测到的浮子状态数据，解算出磁悬浮机构中每个线圈的通电规律或状态，形成并发出相应的控制信号，以调整悬浮控制线圈产生的磁力的大小和方向，控制浮子运行到所设定的悬浮垂直高度；

[0025] d、悬浮驱动系统利用悬浮控制线圈所具有的磁吸合方式，控制浮子在XOY平面上保持稳定地居中；

[0026] e、利用浮子状态检测系统对浮子的平转状态进行检测，并将检测到的浮子状态数据传送给控制单元，控制单元根据浮子绕Z轴旋转的设定方向、速度以及浮子状态检测系统所检测到的浮子状态数据，形成并发出相应的控制信号，控制平转控制线圈的顺序通电方式，使位于平转驱动线圈上方的浮子悬浮磁体受到一个具有水平方向分力并且可控的扭矩的作用，以对浮子进行在XOY平面上的旋转控制；

[0027] f、在浮子处于静止的悬浮状态下，控制单元通过平转驱动电路对平转控制线圈的驱动，产生一个对于浮子悬浮磁体的作用力，在不破坏浮子整体平衡的情况下，使浮子的几何平面与XOY平面形成一个夹角，即浮子相对定子基座产生一个固定角度的倾侧；通过连续改变浮子的倾侧角度，即可控制浮子沿某一水平轴线在某一范围内的动态偏摆；

[0028] g、在浮子处于平转的悬浮状态下，控制单元通过平转驱动电路对某些固定位置上的平转控制线圈进行电流强度的调整，使浮子在平面上保持某一倾侧角度的水平旋转，或是使旋转的浮子完成动态偏摆动作。

[0029] 本发明利用浮子状态传感器检测浮子的状态，计算浮子的中心高度、浮子在三维坐标轴的X轴和Y轴方向的倾侧角度，以及浮子在XOY平面的转动等各项参数，以控制浮子在三维方向上的力矩分量，由此可令浮子处于包括静止、侧倾、偏摆、水平旋转、固定角度的侧倾旋转、可变角度的偏摆旋转等在内的各种工作状态。

附图说明

[0030] 图1是本发明磁悬浮机构的结构示意图。

[0031] 图2是实施例1的定子部分的结构示意图。

[0032] 图3是实施例1的浮子部分的结构示意图。

[0033] 图4是浮子水平状态下斜射式三角测量原理图。

[0034] 图5是浮子偏转状态下斜射式三角测量原理图。

[0035] 图6是本发明磁悬浮机构的驱动系统的电路框图。

[0036] 图7是实施例2的定子部分的结构示意图。

[0037] 图8是实施例2的浮子部分的结构示意图。

[0038] 图中：1、定子基座，2、浮子基座，3、浮子悬浮磁体，4、浮子吸合磁体，5、浮子定位磁体，6、托举磁环，7、平转控制线圈，8、浮子状态传感器，9、定子吸合磁体，10、悬浮控制线圈，11、浮子，12、定子，13、激光发射器，14、探测器，15、激光发射器，16、探测器，17、激光发射器，18、探测器，19、激光发射器，20、探测器，21、浮子状态传感器，22、悬浮控制线圈，23、定子吸合磁体，24、浮子定位磁体，25、浮子磁钢环。

具体实施方式

[0039] 实施例1

[0040] 如图1所示，本发明磁悬浮机构包括定子部分（图中位于下部的方板及附件）、浮子部分（图中位于上部的圆板及附件）以及与定子部分相连的电气控制部分（未图示）这三大部分，具体分为定子、浮子、浮子状态检测系统、悬浮驱动系统、平转驱动系统和控制系统这六大系统。

[0041] 如图1、图2所示，定子包括定子基座1以及设置在定子基座上的定子吸合磁体9和托举磁环6等部分。定子基座1是用非导磁材料制作的一个方形平板，定子吸合磁体9固定在定子基座1顶面的中心位置，托举磁环6是由若干矩形板块磁钢合围成的一个圆环。托举磁环6以定子吸合磁体9为圆心。托举磁环6固定在定子基座1的顶面，以磁斥方式为浮子提供基本的托举力。

[0042] 如图1、图3所示，浮子包括浮子基座2以及设置在浮子基座上的浮子吸合磁体4和浮子悬浮磁体3等部分。浮子基座2是用非导磁材料制作的一个圆形平板，浮子吸合磁体4固定在浮子基座2底面的中心位置，浮子悬浮磁体3固定在浮子基座底面靠近基座边沿的位置处。

[0043] 浮子悬浮磁体3由四个磁钢组成（数量可有增减），四个磁钢的形状相同，重量相等，磁场强度相同，且结构平衡，磁力对称，并均布在靠近浮子基座边沿处的一个以浮子吸合磁体4为中心的圆周上，该圆周与托举磁环6的圆周大小相等或基本相等，这样，浮子悬浮磁体3就可与托举磁环6上下相对，并且是以与托举磁环同极性相对的方式设置，从而形成以磁斥方式支撑浮子的悬浮磁场。浮子悬浮磁体3中的所有磁钢是以组合方式工作的。

[0044] 浮子吸合磁体4与定子吸合磁体9上下相对，并且是以异性磁极相对的方式上下相对，从而形成一种为浮子提供“定中吸力”的吸合磁场，该吸合磁场为浮子提供了一个具有中心牵拉效果的“向心力”。当浮子浮起后，在悬浮控制线圈10的调控下，该“向心力”与为浮子提供托举力的磁斥力进行平衡，以使浮子达到设定的平衡高度，从而自动平衡在定子平面坐标系上的X轴和Y轴方向上出现的不稳定的作用力。

[0045] 如图2、图3所示，浮子状态检测系统包括设置在定子基座1上的浮子状态传感器8以及设置在浮子基座2上的浮子定位磁体5。浮子状态传感器8有多个，分布在定子基座1上的一个以定子吸合磁体9为圆心的圆周上（图2）。浮子状态传感器8位于托举磁环6的圆环内。浮子状态传感器8可以是电磁传感器或光学传感器，用于检测浮子悬浮高度、浮子基座与定子基座之间的悬浮角度、浮子基座的悬浮转速以及悬浮磁场的大小等多个浮子状态数据。浮子定位磁体5是由四个磁钢组成（数量可有增减）的组合定位磁体，均布在浮子基座2上的一个以浮子吸合磁体4为中心的圆周上（图3），形成一个浮子组合定位磁体。浮子定位磁体5所在圆周的半径等于浮子状态传感器8所在圆周的半径，以使浮子定位磁体5与定子基座1上的浮子状态传感器8上下相对。浮子状态传感器8中的各传感器是以组合方式工作的。

[0046] 悬浮驱动系统包括悬浮控制线圈10和悬浮调整单元。悬浮控制线圈10环套在定子吸合磁体9上（图2）；悬浮调整单元为电路单元，并分别与悬浮控制线圈10和浮子状态传感器8电连接，用于接收浮子状态传感器8检测的浮子状态数据，并根据检测数据调整悬浮控制线圈10的磁力大小，以动态调整吸合磁场“中心牵拉”的牵拉力度，使浮子恰好能够稳定于平衡点，从而实现对浮子悬浮高度的控制与调整。

[0047] 在以定子吸合磁体9的中心为原点、以定子基座1的中垂线为纵轴所设立的OXYZ三维直角坐标系中，对浮子在Z轴方向的“中心牵拉”的牵拉力度，应正好等于浮子在某一高度位置上所受到的定子托举力与浮子自身的重力之差，由此可使得浮子的受力之和与定子托举力相平衡。另外，浮子在定子平面坐标系的XOY平面的任意方向的偏移，均会被浮子状态传感器8检测到，通过调整悬浮控制线圈10通过的电流大小，可以实时调整“中心牵拉”的牵拉力度，以将浮子“吸回”，从而使浮子稳定在平衡点。实际上，当浮子位于磁悬浮系统中的额定悬浮高度时，悬浮控制线圈10仅需要很小的能量输入即可保持浮子的稳定悬浮。

[0048] 平转驱动系统包括平转控制线圈7和平转驱动单元。平转控制线圈7有多个，分别固定在定子基座1上，并且是沿着托举磁环6的内侧和外侧分布。浮子上的每个浮子悬浮磁体3与定子上的一个平转控制线圈7或是几个相邻的平转控制线圈7上下相对。平转驱动单元为电路单元，并分别与平转控制线圈7和浮子状态传感器8电连接，用于接收浮子状态传感器8检测的浮子状态数据，并根据检测数据调整平转驱动线圈7的磁力大小，以使浮子处于静止、侧倾、偏摆、水平旋转、固定角度的侧倾旋转或可变角度的偏摆旋转等不同的工作状态。

[0049] 浮子定位磁体5的磁场作用于其下方的位置相邻的几个浮子状态传感器8，得到相互关联的检测信号。检测信号经控制单元中的处理器计算后，得到浮子的几何中心相对于浮子状态传感器8的垂直高度；通过计算浮子定位磁体5中在位置上对称于浮子吸合磁体4的两个磁钢相对于定子基座1的高度差，即可得到浮子在对应方向上的倾角。例如，浮子浮起后，通过浮子定位磁体5在Y轴上的两个磁钢相对浮子状态传感器8的高度差，就可以计算出浮子围绕X轴所偏转的角度。而通过浮子定位磁体5在X轴上的两个磁钢相对浮子状态传感器8的高度差，可以计算出浮子围绕Y轴所偏转的角度。

[0050] 本发明驱动系统可对浮子的悬浮和平转进行综合控制。传统的浮子中心磁极检测方法只能检测浮子在X、Y、Z轴三维方向上的平移运动，对三维方向的转动则无能为力。本发明使用了一组环形设置的浮子状态传感器。这种组合检测方式，可使浮子定位磁体中的每一块定位磁钢对应其下方的浮子状态传感器所产生的位置信息均被准确读取，并传送至控制单元。有多少个定位磁钢，就有多少组相对应的浮子位置检测数据。将这些浮子位置检测数据进行组合与集中处理，就能够得到浮子中心的浮起高度以及浮子在X轴和Y轴方向的倾侧角度等信息。进一步而言，还可以检测出浮子在XOY二维平面上的转动情况。

[0051] 这种将托举磁场与定位磁场分离、分控的基本思路，还可有其他不同的实现方式。

[0052] 例如，在使用两块中心磁钢和悬浮控制线圈进行悬浮力的平衡与浮子浮起高度调整的方式中，常用的霍尔传感器设置在几何中心的方式难以奏效，因为过强的中心磁钢磁场往往使得此类传感器发生饱和而无法工作。

[0053] 在这种情况下，本发明可使用短焦距光学成像等系统对浮子进行定位。此外，在一般能够实施磁悬浮的环境中，激光或红外线不受任何磁场的干扰，不因距离的增加而弱化，因而可以对浮子在较高的起浮高度上进行精准、动态的实时测定。

[0054] 根据入射激光与被测物面的关系，激光测距传感器的光路还可以分为直射式和斜射式两种。

[0055] 一般而言，直射式激光测距传感器的光斑小，光强稳定，光斑的大小不会随着测距范围而变化，并且直射式光路具有尺寸小、测量范围大、安装和调试方便等优点。如应用于本发明中，便可将光学系统置于定子吸合磁体9的上表面，而光学系统所使用的靶标置于浮子吸合磁体4的下表面。这样，在基本不影响两个中心磁钢磁场的情况下，从系统的中心位置对浮子进行浮高和转角的测定。

[0056] 然而，如果将中心磁钢和定位激光装置在定子的中心位置重叠放置，毕竟具有诸多实现时的困难或使用时的不便。为此，尚可考虑斜射式激光测距技术。

[0057] 斜射式激光测距又称作三角法激光测距法。三角法激光测距是由激光发射器发出光线，经过汇聚透镜聚焦后，入射到被测物体的表面上，接收透镜接收来自入射光点处的反射或散射光，并将其成像在光电位置探测器的敏感面上。这种情况下，需要将浮子的下表面加工平滑，以更好地反射激光。当物体移动时，通过光点在成像面上的位移，就可计算出物体移动的相对距离。

[0058] 相比之下，尽管三角法测量方案的结构、体积相对较大，需要通过更加复杂的方法来计算浮子的位移，但其灵敏度相比直射式的方案为高，其信噪比亦高，成像质量更加稳定。另外，定子的空间区域本身较大，对检测装置的结构、体积等要求不高，在本实施例中更易实现。

[0059] 如图4所示，本发明采用的斜射式三角测量的基本原理是：由激光发射器13、15各发出一束激光，以与浮子下表面的法线成一定的角度照射到浮子11的下表面上。安装在定子12的上表面的探测器14、16接收入射光线在浮子下表面的反射光，然后，根据探测器14、16所接收的光斑位置，计算出浮子11在Z轴方向上的位移变化。

[0060] 在本实施例中，可设置四个激光发射器（13、15、17、19），以轴对称的方式分别设置在对应X轴和Y轴的位置处。如果浮子11沿Z轴方向由低位向上移动到高位而没有发生侧偏时，则设置在X轴上的两个激光发射器13、15所发出的激光与分别在探测器14、16上产生的光斑的位移距离相同，但光斑的移动方向相反。

[0061] 图5中，若浮子11以X轴为轴发生侧倾时，设置在X轴上的激光发射器所发出的激光光斑的位移在X轴方向为零。而此时，经由Y轴上的两个激光发射器17、19所得到的激光光斑在探测器18、20上的位移方向相同。同理，当浮子以Y轴为偏摆轴时，经由X轴的激光发射器13、15所得到的激光光斑的位移方向相同，而位于Y轴的激光发射器17、19所发出的激光光斑的位移在Y轴方向为零。进而，再结合光斑的位移距离、位移速度等参数，即可计算出浮子
11的倾侧角度或偏摆方式等情况。

[0062] 目前，自控领域中的具体控制算法很多。但在本发明的磁悬浮系统中，其磁场参数太多，致使严格的数学模型难以准确建立。尽管通过计算机仿真可以进行定性和粗略的理论分析，但只能论证系统结构的可行性，以及缩减参数的选取范围。其余工作仍然需要依靠经验进行尝试和设定，需要通过现场的反复调试来最终确定。此时，PID控制方法便显现了巨大的优越性。因此，本发明亦采用PID控制方法作为基本的调节手段。

[0063] 在后续的功率驱动电路中，为避免一般模拟控制电路存在的不足，本发明仍然是利用数字电路的控制方式来进行控制。特别是PWM 控制简单、灵活，其动态响应也好，已经在电力电子领域得到了广泛的应用。目前，许多单片机内部都具有 PWM功能，这就为后续电路的直接数字控制提供了极大的便利。

[0064] 如图6所示，本发明磁悬浮系统中的控制系统包括控制单元和功率驱动电路两部分，控制单元分别与功率驱动电路和浮子状态传感器相接，用于接收浮子状态传感器发出的检测数据并实时解算，以控制功率驱动电路；功率驱动电路分别与控制单元、悬浮调整单元和平转驱动单元相接，用于控制信号的功率放大，进而通过悬浮调整单元和平转驱动单元以驱动浮子悬浮和平转。

[0065] 对本实施例而言，由于结构所限，即便是要求浮子转动，其转速也不可能太高。因此，最为简单有效的控制方式，就是按其转动要求对应于浮子悬浮磁体3的平转控制线圈7循环通电，以直接的开环控制方式完成浮子的平转控制。由此实现浮子悬浮高度的控制以及浮子处于静止、旋转或偏摆等不同状态的控制。

[0066] 参看图1—图6，本发明磁悬浮机构的六自由度控制方法包括以下步骤：

[0067] a、设置实施例1所述的六自由度可控式磁悬浮机构。

[0068] b、以定子吸合磁体4的中心为原点、以定子基座1的中垂线为纵轴，设立OXYZ三维直角坐标系。

[0069] c、利用浮子状态检测系统对浮子的状态进行检测，并将检测到的浮子状态数据传递给悬浮调整单元，悬浮调整单元根据设令浮子需要达到的悬浮高度以及所检测到的浮子状态数据，调整悬浮控制线圈10产生的磁力的大小和方向，使托举磁环6与浮子悬浮磁体3之间的磁斥力、浮子吸合磁体4与定子吸合磁体9之间的磁吸力以及浮子吸合磁体4与悬浮控制线圈10之间的磁作用力在相互叠加之后，与浮子本身的重力之间保持动态平衡，以控制浮子到达设定的悬浮垂直高度。

[0070] d、悬浮驱动系统利用悬浮控制线圈10所具有的磁吸合方式，控制浮子在XOY平面上保持稳定地居中；即自动调整浮子在悬浮状态下处于水平中心的位置，从而达到“定中”的目的。

[0071] e、利用浮子状态检测系统对浮子的状态进行检测，并将检测到的浮子状态数据传递给平转驱动电路，平转驱动电路根据设令浮子绕Z轴旋转的方向和速度以及所检测到的浮子状态数据，控制平转控制线圈的顺序通电方式，使位于平转驱动线圈上方的浮子悬浮磁体受到一个具有水平方向分力并且可控的扭矩的作用，以对浮子进行在XOY平面上的旋转控制；即，平转驱动系统可精确控制浮子围绕Z轴的转向和转速，或使其处于静止状态。

[0072] f、在浮子处于静止的悬浮状态下，平转驱动电路通过对平转控制线圈7的驱动，使平转控制线圈7产生的磁作用力（或是磁作用力的垂直分力）对浮子悬浮磁体3进行驱动，并通过调整托举磁环6与浮子悬浮磁体3之间的磁斥力，在不破坏浮子整体平衡的情况下，即可使浮子的几何平面与XOY平面形成一个夹角，使浮子相对定子基座1产生一个固定角度的倾侧；通过连续改变浮子的倾侧角度，即可控制浮子沿水平轴在一定范围内的动态偏摆；其偏摆角度和摆动速率可进行精确调整。

[0073] g、在浮子处于平转的悬浮状态下，平转驱动电路通过对某些固定位置上的平转控制线圈7进行电流强度的调整，使浮子在平面上保持某一倾侧角度进行动态偏摆状态下的水平旋转，或是使处于旋转状态下的浮子在水平面上完成动态偏摆的动作。

[0074] 其中，浮子定位磁体的磁场作用于一个或相邻的几个浮子状态传感器，以得到相互关联的检测信号；检测信号经处理器计算后，得到浮子的几何中心相对于浮子状态传感器的垂直高度。通过计算在位置上对称于浮子吸合磁体的两个浮子定位磁体相对于定子基座的高度差，即可得到浮子在对应方向上的倾角。

[0075] 实施例2

[0076] 本实施例是基于本发明磁悬浮机构的一个拓展和简化，其同样是悬浮、定位和检测功能的分离实施，但方式有所不同。其主要结构同实施例1，区别点是具有一个组合的浮子定位调整系统和一个单独的浮子位置检测系统。

[0077] 如图7、图8所示，浮子定位调整系统包括设置于浮子基座2上的一个浮子磁钢环25以及设置于定子基座1上的一组共同运行的悬浮控制线圈22和定子吸合磁体23共同构成。这些部件的工作效果就是合成一个等效的定位磁场，完成前述的中心定位功能。该方式最大的优点就是可以在定子、浮子的中心位置置换出足够的空间，专门留给传统的、单一式的位置传感器使用，以安装电子位置检测器件，甚至是直射式的光学测距装置。

[0078] 具体说来，就是需要在浮子外环与浮子基板的中心点之间（即实施例1中安装浮子定位磁体5）的位置上安装一个浮子磁钢环33。在定子基座1上对应于实施例1中的浮子状态传感器8的环形传感区域，安装三个以上、磁路对称且平衡的悬浮控制线圈22，每个悬浮控制线圈22的中心安装一个定子吸合磁体23。这些部件既可并联运行，类似于一个完整的大线圈，又可在一定程度上分别运行，以对浮子起浮的状态进行更为精确的调整。即，由一个环形磁钢和一组定位线圈与磁体共同作用，进行浮子的定位。

[0079] 此时，浮子状态传感器21仅仅使用一个即可，安装于定子基座1的中心（图7）。而位于浮子基座2中心位置的原浮子吸合磁体4的功能就有所改变，成为了单独的浮子定位磁体24（图8），其磁场直接作用于位其下方、安装于定子基座1上的浮子状态传感器21，以准确读取其位置信息，并传送至控制系统进行解算，使得控制系统能够实时完成浮子状态的调整。