非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統研究

曹宇，賈巧嬌，王世明,2

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

0 引言

隨著科技的發展，電磁設備正廣泛地在航空、航天、高鐵領域應用[1,2]。非接觸磁浮機構是典型的電磁控制設備，具有高帶寬、無摩擦、高精度力控性能等優勢，可以顯著提升操作平臺的控制性能[3]。唐忠興等[4]開展了高精度非接觸磁浮機構設計及其輸出特性測試研究，驗證了“雙超”衛星地面驗證方案的可行性；謝進進等[5]針對操作平臺電磁兼容問題，開展了非接觸磁浮機構的電磁干擾特性研究。傳統的非接觸磁浮機構弱磁力檢測多采用單自由度檢測方式，采集區域受限，需要增加自由度數提高非接觸磁浮機構的輸出特性測試區域并滿足高精度測試要求。薛蕾等[6]以Lab-VIEW為開發環境，結合數據庫技術設計了一維度比例電磁鐵性能測試系統；王祖堯等[7]開展了兩自由度磁力懸浮非線性振動能量采集研究。

本文采用穩定可靠的雙輸出可編程電流源、三維位移電動平臺、光柵尺、上位機、工控機等設備，配合先進成熟的控制及檢測技術，通過有效的降振降噪處理，實現非接觸磁浮機構洛倫茲力多自由度檢測。

1 非接觸磁浮機構測試工作原理

非接觸磁浮機構的核心工作原理如圖1所示。

圖1 非接觸磁浮機構系統構成示意圖

在磁軛上安裝有永磁體，其產生的磁場穿過激勵線圈。激勵線圈由兩組線圈構成，一組在磁場范圍內沿水平向繞制，另一組在磁場范圍內沿豎直向繞制。當兩組線圈中分別通入電流后，將產生豎直和水平方向的洛倫茲力。對于洛倫茲力的測量基于公式(1)，可轉化為對激勵線圈豎直方向力變化的測量，并得到輸出弱磁力與控制電流的定量匹配關系。

其中ΔFN為洛倫茲力變化值，ΔI為控制電流變化值，B為磁場強度，L為線圈移動位移。

2 非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統組成

系統由精密可調節電流源子系統模塊、自存儲防磁力傳感器子系統模塊、相對運動控制及檢測平臺子系統模塊、上位機中控系統平臺模塊等組成。非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統的工作流程圖如圖2所示。

圖2 檢測系統的工作流程圖

洛倫茲力測試布置如圖3所示，將非接觸磁浮機構激勵器的磁缸固定在吊裝臂上，激勵線圈放置在萬分級自存儲防磁電子天平的載物臺上，利用電子天平測量激勵器輸出力（Z向）豎直方向的數值，電子天平可以反饋時歷結果給上位機；通過角度調節器，改變磁浮機構線圈XZ平面內的角度，記錄磁浮機構線圈與磁極垂向相對角度；同時吊裝臂與三維電動平移臺連接，可實現磁缸相對磁路部分在預定的路線內移動，可自行設計空間x、y和z向平移路線，三維電動平移臺可以反饋時歷位移結果給上位機；通過旋轉激勵線圈(旋轉90度)，通過坐標換算進而測量同一路徑下的激勵器輸出力水平方向的數值；相關數據可通過上位機中控軟件實時監測，軟件具有良好的用戶交互性及現場展示功能。

圖3 洛倫茲力測試方案布置圖

為了降低氣流、聲音、平臺振動、平衡度影響，檢測系統設置了液壓式平衡臺，平衡臺表面采取蜂窩狀設計，并在整個檢測系統外部設置玻璃罩，隔絕聲音，氣流影響。檢測系統實物圖如圖4所示。

圖4 檢測系統實物圖

3 非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統模塊化設計

3.1 精密可調節電流源子系統模塊

為檢測系統工作提供穩定電流源，并能夠與上位機進行控制信號傳輸及電流數據實時反饋。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。子系統滿足具備2路獨立可調節電流輸出，每路輸出電流范圍為[0～1]A；輸出電流從0.5mA到100mA，絕對誤差≤0.5mA；輸出電流100mA到1A，相對誤差0.5%；供電輸入為220V交流電，地面設備內具備過載保護功能。

圖5 電流源設備

圖6 恒流源配置原理圖

圖7 上位機中控系統管理軟件主界面

3.2 自存儲防磁力傳感器子系統模塊

為檢測輸出的洛倫茲力數值提供自存儲數據功能，并能夠與上位機進行數據實時反饋。子系統配置萬分級防磁力電子天平，滿足檢測力的范圍為[0～0.1]N，輸出力范圍5×10-5N到1×10-2N，洛倫茲力檢測絕對誤差≤5×10-5N；輸出力范圍1×10-2N到0.1N，相對誤差0.5%。考慮到激勵線圈和天平的移動會影響測量精度，基于相對運動原理，本設計選擇磁缸運動，線圈和天平不動。

3.3 相對運動控制及檢測平臺子系統模塊

為檢測系統線圈與磁極提供三維空間相對位移，檢測相對位置坐標，具備自存儲數據功能，并能夠與上位機進行數據實時反饋。子系統配置三維電動平移臺，滿足磁浮機構線圈與磁極在三維空間范圍內每維方向相對位置變化范圍為±10mm；在三維空間±10mm范圍內檢測磁浮機構線圈與磁極三維空間相對位置坐標，坐標檢測精度優于0.05mm，最小步距10μm。

3.4 上位機中控系統平臺模塊

上位機中控系統作為核心控制單元，通過編制上位機中控系統管理軟件，控制卡以9010或9030發出串口控制信號，驅動三維電動位移臺運動，從而帶動磁缸運動；精密可調節電流源輸出可控電流，使激勵線圈通電切割磁感線；三維電動平移臺絲桿設置編碼器實時輸出脈沖信號，以獲得磁缸與激勵線圈的實時相對位置，三維位移臺具有位置反饋功能；設置回零功能，在找到零點之后，運動軸停止，編碼器與指令位置均清零重置；具有I/O檢測功能，能快捷控制輸出口的通斷。

4 非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統的運行測試

為檢驗非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統運行是否穩定，結果精度是否滿足需求，進行了樣品檢測試驗。具體測試步驟及結果如下。

4.1 測試步驟

1）調整水平減振臺使臺面處于水平位置，保證檢測系統整體水平。

2）登錄上位機中控系統管理軟件，軟件界面如圖7所示，通過控制三維位移臺，調整磁缸與線圈的位置，使磁缸完全罩住激勵線圈，三維電動位移臺參數設置界面如圖8所示。

圖8 三維電動位移臺運動參數設置界面

3）防磁力電子天平天平標定置零；

4）設定電流源采集數據間隔為1000ms，步驟如圖9所示，電流源設定初始電流0.01A，電流步長為0.01A每10s變更遞進，電流最大值為0.1A，共測試10組電源采樣數據。

圖9 電流源采集數據間隔設置界面

5）設置天平數據采集間隔為10s，共測試10組天平采樣數據，如圖10所示。

圖10 天平數據采集設置界面

6）上位機系統開始存儲采集到的數據。

4.2 測試結果及分析

測得天平及電流源數據如表1所示。

表1 天平測試數據

表2 電流源測試數據

如表1所示，天平讀數隨電流增加而線性增加，且增量平均數值為0.1092，增量波動平均絕對值為0.002238g，換算洛倫茲力測試誤差為2.19324×10-5N，自存儲防磁力傳感器子系統模塊滿足功能需求。

如表2所示，電流源測試數據在前10000ms均可以穩定在0.01A附近，誤差范圍為10-5A。11000ms跳變為0，然后增至0.02A，仍可保持穩定輸出，精密可調節電流源子系統模塊滿足功能需求。

三維平臺電機每轉脈沖為3200轉，絲杠導程為4mm，傳動比為1，三維平臺位移精度為1.25um，且三維平臺三軸導程皆大于10cm，線圈與磁極平面內相對運動通過二維電動平臺驅動，其垂向運動可通過手動調節方式實現，相對運動控制及檢測平臺子系統模塊滿足功能需求。

上位機中控系統平臺模塊在使用過程中，可以實現對數據進行轉換和儲存，三維電動位移平臺位移數據具備實時保存功能，電流源與天平數據可實現按照時間間隔采樣保存。

5 結語

非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統采用穩定可靠的雙輸出可編程電流源、三維位移電動平臺、光柵尺、上位機、工控機等設備，配合先進成熟的控制及檢測技術，通過有效的降振降噪處理，實現了非接觸磁浮機構洛倫茲力多自由度檢測。非接觸磁浮機構弱磁力多維檢測系統已經投入實際的樣品檢測，經現場應用情況反饋，該系統運行穩定、檢測結果滿足工程精度要求，而且具有很好的抗干擾能力，達到了企業的預期效果。