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]。非接觸磁浮機構(gòu)是典型的電磁控制設(shè)備，具有高帶寬、無摩擦、高精度力控性能等優(yōu)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(gòu)設(shè)計及其輸出特性測試研究，驗證了“雙超”衛(wèi)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(gòu)的電磁干擾特性研究。傳統(tǒng)的非接觸磁浮機構(gòu)弱磁力檢測多采用單自由度檢測方式，采集區(qū)域受限，需要增加自由度數(shù)提高非接觸磁浮機構(gòu)的輸出特性測試區(qū)域并滿足高精度測試要求。薛蕾等[6]以Lab-VIEW為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計了一維度比例電磁鐵性能測試系統(tǒng)；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(wěn)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(shè)備，配合先進成熟的控制及檢測技術(shù)，通過有效的降振降噪處理，實現(xiàn)非接觸磁浮機構(gòu)洛倫茲力多自由度檢測。

1 非接觸磁浮機構(gòu)測試工作原理

非接觸磁浮機構(gòu)的核心工作原理如圖1所示。

圖1 非接觸磁浮機構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

在磁軛上安裝有永磁體，其產(chǎn)生的磁場穿過激勵線圈。激勵線圈由兩組線圈構(gòu)成，一組在磁場范圍內(nèi)沿水平向繞制，另一組在磁場范圍內(nèi)沿豎直向繞制。當(dāng)兩組線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。對于洛倫茲力的測量基于公式(1)，可轉(zhuǎn)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(guān)系。

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

2 非接觸磁浮機構(gòu)弱磁力多維檢測系統(tǒng)組成

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

圖2 檢測系統(tǒng)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(gòu)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(shù)值，電子天平可以反饋時歷結(jié)果給上位機；通過角度調(diào)節(jié)器，改變磁浮機構(gòu)線圈XZ平面內(nèi)的角度，記錄磁浮機構(gòu)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(xiàn)磁缸相對磁路部分在預(yù)定的路線內(nèi)移動，可自行設(shè)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(jié)果給上位機；通過旋轉(zhuǎn)激勵線圈(旋轉(zhuǎn)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(shù)值；相關(guān)數(shù)據(jù)可通過上位機中控軟件實時監(jiān)測，軟件具有良好的用戶交互性及現(xiàn)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(tǒng)設(shè)置了液壓式平衡臺，平衡臺表面采取蜂窩狀設(shè)計，并在整個檢測系統(tǒng)外部設(shè)置玻璃罩，隔絕聲音，氣流影響。檢測系統(tǒng)實物圖如圖4所示。

圖4 檢測系統(tǒng)實物圖

3 非接觸磁浮機構(gòu)弱磁力多維檢測系統(tǒng)模塊化設(shè)計

3.1 精密可調(diào)節(jié)電流源子系統(tǒng)模塊

為檢測系統(tǒng)工作提供穩(wěn)定電流源，并能夠與上位機進行控制信號傳輸及電流數(shù)據(jù)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(tǒng)滿足具備2路獨立可調(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(shè)備內(nèi)具備過載保護功能。

圖5 電流源設(shè)備

圖6 恒流源配置原理圖

圖7 上位機中控系統(tǒng)管理軟件主界面

3.2 自存儲防磁力傳感器子系統(tǒng)模塊

為檢測輸出的洛倫茲力數(shù)值提供自存儲數(shù)據(jù)功能，并能夠與上位機進行數(shù)據(jù)實時反饋。子系統(tǒng)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%?？紤]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(shè)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(tǒng)模塊

為檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)功能，并能夠與上位機進行數(shù)據(jù)實時反饋。子系統(tǒng)配置三維電動平移臺，滿足磁浮機構(gòu)線圈與磁極在三維空間范圍內(nèi)每維方向相對位置變化范圍為±10mm；在三維空間±10mm范圍內(nèi)檢測磁浮機構(gòu)線圈與磁極三維空間相對位置坐標，坐標檢測精度優(yōu)于0.05mm，最小步距10μm。

3.4 上位機中控系統(tǒng)平臺模塊

上位機中控系統(tǒng)作為核心控制單元，通過編制上位機中控系統(tǒng)管理軟件，控制卡以9010或9030發(fā)出串口控制信號，驅(qū)動三維電動位移臺運動，從而帶動磁缸運動；精密可調(diào)節(jié)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(shè)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(shè)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(gòu)弱磁力多維檢測系統(tǒng)的運行測試

為檢驗非接觸磁浮機構(gòu)弱磁力多維檢測系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定，結(jié)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(jié)果如下。

4.1 測試步驟

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

2）登錄上位機中控系統(tǒng)管理軟件，軟件界面如圖7所示，通過控制三維位移臺，調(diào)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(shù)設(shè)置界面如圖8所示。

圖8 三維電動位移臺運動參數(shù)設(shè)置界面

3）防磁力電子天平天平標定置零；

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(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）上位機系統(tǒng)開始存儲采集到的數(shù)據(jù)。

4.2 測試結(jié)果及分析

測得天平及電流源數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 天平測試數(shù)據(jù)

表2 電流源測試數(shù)據(jù)

如表1所示，天平讀數(shù)隨電流增加而線性增加，且增量平均數(shù)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(tǒng)模塊滿足功能需求。

如表2所示，電流源測試數(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)模塊滿足功能需求。

三維平臺電機每轉(zhuǎn)脈沖為3200轉(zhuǎn)，絲杠導(dǎo)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(dǎo)程皆大于10cm，線圈與磁極平面內(nèi)相對運動通過二維電動平臺驅(qū)動，其垂向運動可通過手動調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)，相對運動控制及檢測平臺子系統(tǒng)模塊滿足功能需求。

上位機中控系統(tǒng)平臺模塊在使用過程中，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和儲存，三維電動位移平臺位移數(shù)據(jù)具備實時保存功能，電流源與天平數(shù)據(jù)可實現(xiàn)按照時間間隔采樣保存。

5 結(jié)語

非接觸磁浮機構(gòu)弱磁力多維檢測系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的雙輸出可編程電流源、三維位移電動平臺、光柵尺、上位機、工控機等設(shè)備，配合先進成熟的控制及檢測技術(shù)，通過有效的降振降噪處理，實現(xiàn)了非接觸磁浮機構(gòu)洛倫茲力多自由度檢測。非接觸磁浮機構(gòu)弱磁力多維檢測系統(tǒng)已經(jīng)投入實際的樣品檢測，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用情況反饋，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、檢測結(jié)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(yè)的預(yù)期效果。