单轴全物理仿真磁浮台制造技术

本发明专利技术公开了一种单轴全物理仿真磁浮台，主要用于对航天器等运动体的控制系统进行全物理仿真。该单轴全物理仿真磁浮台包括结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元。其中轴面单元、上传感器、上磁体和轴承单元的转子部分作为磁浮台的转动部分，结构支撑单元、下传感器、下磁体和轴承单元的定子部分、间隙调控单元作为磁浮台的静止部分，轴向磁悬浮单元中相对设置的上磁体和下磁体产生磁力来平衡转动部分重力的影响，以使转动部分能绕芯轴无摩擦地旋转。作为一种自由转台，本发明专利技术克服了一般的半物理仿真机械转台摩擦力矩大的缺点，并且可以确保控制系统仿真对象具有自主闭环的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用磁浮原理的物理仿真实验台，尤其涉及一种 采用单轴结构的全物理仿真磁浮实验台，属于测试设备

技术介绍
科学研究通常有三种途径理论推导、科学实验和仿真模拟。各 种仿真技术的应用在科学研究中发挥着不可或缺的作用。特别是在控 制技术研究领域，采用各种仿真技术是进行理论研究与工程实践的重 要手段。目前，仿真技术主要分为两类计算机仿真和物理仿真。计算机 仿真实质上是数学仿真，它首先建立系统的数学模型，并将数学模型 转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到仿真系统运行的目 的。计算机仿真主要用于进行控制方法的研究，但其无法验证实际系 统的技术可行性，更不能对一个实际系统的初样和正样进行检验和验 收。因此，物理仿真也是必不可少的。物理仿真也称实体仿真，是指 根据物理模型，直接制造实物来模拟原事物在某些条件下的响应。物 理仿真主要用于控制系统的测试与验证。物理仿真分为全物理仿真和半物理仿真两种。半物理仿真是指采用部分物理模型和部分数学模型的仿真，主要用于运动学模拟或部分 控制部件测试验证。全物理仿真是指全部采用物理模型的仿真，它可 以确保仿真对象对包括动力学、敏感器、执行机构、控制器及控制方 案在内的整个闭环控制系统进行理论方法研究、系统测试与验证。当前，随着我国航天事业的发展，对各种类型空间飞行器的研制 工作正在紧锣密鼓地开展之中。在研制空间飞行器控制系统的过程 中，为了在地面全物理仿真实验中模拟出空间的失重效果，国内外通 常采用吊丝配重式、水浮式或气浮的方.式。采用吊丝配重的方式，可 以保证吊丝偏角很小且拉力与物体重力相等，以补偿飞行器本体重力 负载的影响。但是在实践中，这种方式的具体实施极其困难，其难度 甚至超过飞行器本身的控制。水浮实验系统所用的纯净水的养护费用极高，并且难以对实验对象本身进行防水与配重处理。因此，无论是 水浮还是吊丝配重，在转轴方向都始终难以完全补偿重力的影响。而 气浮台实验系统的气源装置由空气压縮机、储气、干燥和过滤设备等 组成，本身结构非常复杂， 一般需要专人维护，具有占用空间大、运 输及维护费用高等特点，并且高压气体本身也存在振动噪声大、安全 隐患大的缺点。在公开号为CN1865897A的中国专利技术专利申请"高精度单轴磁悬 浮转台"中，公开了一种由力矩电机、下保护轴承、下径向/轴向一 体化位移传感器、下径向磁悬浮轴承、下底座、下轴向磁悬浮轴承、 芯轴、上轴向磁悬浮轴承、上径向磁悬浮轴承、上径向/轴向一体化 位移传感器、上底座、上保护轴承、角位置编码器和工作台组成的高 精度单轴磁悬浮转台。其中，定子和转子之间通过径向磁悬浮轴承和 轴向磁悬浮轴承实现非机械接触的稳定悬浮。但是，该技术方案中， 机械转台是由力矩电机驱动转轴运动。这就意味者对于仿真试验对象 来说，控制力矩是由外部提供的、而不是由自身内部执行机构产生的， 执行机构的质量惯性特性也不包含在仿真对象的动力学之中。因此严 格地说，该技术方案并不能完全满足全物理仿真要求能够尽可能独立 地、完整地、纯粹地对整个闭环控制系统进行模拟的要求。
技术实现思路
鉴于如上所述现有全物理仿真技术的不足之处，本专利技术的目的是 提供一种新型的单轴全物理仿真磁浮台。该磁浮台可以为航天器等运 动体控制系统的全物理仿真提供一个自主闭环的实验平台。为实现上述的专利技术目的，本专利技术采用下述的技术方案一种单轴全物理仿真磁浮台，其特征在于所述单轴全物理仿真磁浮台包括结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元；所述传感器单元包括相对设置的上传感器和下传感器；所述轴向 磁悬浮单元包括相对设置的上磁体和下磁体；所述轴承单元包括作为 转子部分的上、下轴承和作为定子部分的上、下轴承盖；所述轴面单 元包括仿真实验台面与芯轴，所述上轴承和下轴承环绕所述芯轴设 置；所述轴面单元、上传感器、上磁体和轴承单元的转子部分作为磁浮台的转动部分，所述结构支撑单元、下传感器、下磁体和轴承单元 的定子部分、间隙调控单元作为磁浮台的静止部分，所述轴向磁悬浮 单元中相对设置的上磁体和下磁体产生磁力来平衡所述转动部分重 力的影响，以使所述转动部分能绕所述芯轴无摩擦地旋转。其中，所述结构支撑单元包括基座、直线轴承座与垫铁；其中的基座为圆筒状，其底端有向外扩大的环形底座，在环形底 座和基座之间均匀分布有若干加强筋，所述环形底座的底端通过若干 个所述垫铁与地接触以提供支撑。所述间隙调整与控制单元中包括直线导向轴、调整法兰、间隙调 节螺杆、手动调整轮和自动间隙控制器；所述直线导向轴与所述芯轴布置在同一轴线上，所述上传感器固 定在所述芯轴上，所述下传感器固定在所述直线导向轴上，所述自动 间隙控制器分别与所述上、下传感器相连接，对所述直线导向轴与所 述芯轴之间的间隙进行闭环控制。所述直线导向轴与下传感器支座固定安装，安装在基座底部上面 的直线轴承座的内壁采用软橡胶材质，所述直线导向轴的外径略小于 直线轴承座的内径；在所述基座底部下面安装有所述调整法兰，所述调整法兰的内壁 攻有螺丝，且内壁直径略大于所述直线导向轴的外径；所述间隙调节螺杆上部的螺纹正好与所述调整法兰内壁的丝口 相匹配，所述间隙调节螺杆的下部安装在所述手动调节轮上。所述芯轴的下侧开有传感器电缆通孔，所述自动间隙控制器通过 穿过该通孔的电缆与所述上传感器和下传感器相连接；所述自动间隙控制器安装在所述基座与环形底座相接的位置。所述上轴承盖的上侧是轴向磁悬浮单元中的下磁体和下磁体支 座，所述仿真实验台面的下侧是轴向磁悬浮单元中的上磁体支座和上 磁体，所述上、下磁体支座为环状，其上有位置相对应的若干回转体， 所述上、下磁体分别放置在所述回转体形成的凹槽中，通电导线沿所 述回转体设置。所述通电导线中电流方向的控制通过M0S电路来实现，所述M0S 电路中，第一 M0S管与第三M0S管串接，第二 M0S管与第四M0S管也 串接，它们并联在V+与GND之间，在第一 MOS管与第四M0S管之间设置有通电导线。所述第一 M0S管与第三MOS管的触发端短接在一起，所述第二 M0S 管与第四MOS管的触发端短接在一起；且两个短接处的电平状态时时 相反。一种对上述单轴全物理仿真磁浮台中轴向间隙实现闭环控制的 方法，其特征在于通过传感器对当前轴向间隙进行测量，经过模/数变换后同期望 间隙进行比较，根据其比较结果，由自动间隙控制器计算需要调整的 磁悬浮力的大小，然后经过数/模变换、功率放大、电流方向控制， 最后驱动通电导线产生适当大小的电磁力，从而按期望调整总悬浮力 的大小，以实现对轴向间隙大小的控制。采用上述方案后，本专利技术与现有技术相比的优点在于本全物理 仿真磁浮台，同气浮台相比无需气源装置，同吊丝配重和水浮实验装 置相比可以在转轴方向上完全抵消重力的不利影响，确保仿真对象和 磁浮台之间在动力学上的完全分离。作为一种自由转台，本专利技术克服 了一般的半物理仿真机械转台摩擦力矩大的缺点，并且可以确保控制 系统仿真对象具有自主闭环的特点。 附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术所提供的单轴全物理仿真磁浮台的结构示意图。图2是图1所示的单轴全物理仿真磁浮台的使用状态示意图。图3是直线导向轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单轴全物理仿真磁浮台，其特征在于：所述单轴全物理仿真磁浮台包括结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元；所述传感器单元包括相对设置的上传感器和下传感器；所述轴向磁悬浮单元包括相对设置的上磁体和下磁体；所述轴承单元包括作为转子部分的上、下轴承和作为定子部分的上、下轴承盖；所述轴面单元包括仿真实验台面与芯轴，所述上轴承和下轴承环绕所述芯轴设置；所述轴面单元、上传感器、上磁体和轴承单元的转子部分作为磁浮台的转动部分，所述结构支撑单元、下传感器、下磁体和轴承单元的定子部分、间隙调控单元作为磁浮台的静止部分，所述轴向磁悬浮单元中相对设置的上磁体和下磁体产生磁力来平衡所述转动部分重力的影响，以使所述转动部分能绕所述芯轴无摩擦地旋转。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李智斌，李明航，李健，
申请(专利权)人：北京智源博科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]