基于微重力環(huán)境下的“氣包”控制定位

顏秋林等

摘 要：微重力環(huán)境下的物體具有不一般的物理屬性并且微重力環(huán)境為藥品加工帶來極大的便利，文章通過磁懸浮方法模擬微重力環(huán)境下的氣包懸浮，而通過機(jī)械原理可自動化控制氣包的運(yùn)動，并且可以實(shí)時監(jiān)控氣包的位置，最后測量出氣包的速度及直徑。這對于有毒物品的加工和檢測具有極大的意義。

關(guān)鍵詞：微重力環(huán)境；氣包懸浮；氣包運(yùn)動；氣包速度及直徑測量

1 概述

1.1 磁懸浮法控制“氣包”在液體中的位置

從表1中可以看出，電磁懸浮因由強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，懸浮穩(wěn)定性好，且由于本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)部安有永磁鐵球的小體積氣球代替真實(shí)的“氣包”，可利用電磁懸浮實(shí)現(xiàn)微重力下“氣包”運(yùn)動狀態(tài)的模擬。

通過對比和分析以德國為代表的常導(dǎo)電式磁懸浮，以日本為代表的超導(dǎo)電動磁懸浮和中國的永磁懸?。ㄋ锰厥獾挠来挪牧?，不需要任何其他動力支持），本實(shí)驗(yàn)將永磁體與可控直流常導(dǎo)電磁鐵相結(jié)合的懸浮控制方法克服了中國、日本傳統(tǒng)的磁懸浮方法的缺陷，我們選擇用裝有永磁體的小球及帶鐵芯的通電線圈完成“氣包”位置控制實(shí)驗(yàn)。

1.2 利用激光對射遮蔽法跟蹤氣泡的運(yùn)動軌跡、測量“氣包”速度和直徑

目前提供的位置感應(yīng)技術(shù)一般是發(fā)射電磁波、超聲波、光等，遇到物體被反射回來被接收器接收，最終通過計(jì)算時間和波速可以得到物體和發(fā)射器之間的距離。但一般來講，物體的表面必須水平，這樣才能保證反射波量，提高檢測的穩(wěn)定性。而本實(shí)驗(yàn)中的物體是“氣包”即氣球，它具有凹凸的表面，很明顯用這種方式是不合適的，因?yàn)樵谄浔砻娴穆浜車?yán)重，所以本實(shí)驗(yàn)選擇了激光對射遮蔽的方法進(jìn)行檢測。其優(yōu)點(diǎn)是激光的方向性好，不受物體表面凹凸情況的影響，而且動作穩(wěn)定度高，檢測距離長。

2 實(shí)驗(yàn)原理與分析

2.1 讓“氣包”達(dá)到懸浮狀態(tài)并控制其運(yùn)動

“氣包”由裝有永磁體的氣球構(gòu)成，控制永磁體懸浮及控制“氣包”懸浮。

本實(shí)驗(yàn)用到電磁懸浮技術(shù)（electromagnetic levitation）簡稱EML技術(shù)，它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實(shí)現(xiàn)對金屬品的懸浮。當(dāng)一個線圈通入交變電流以后，就會在線圈周圍產(chǎn)生一個磁場。將一個金屬樣品放置在這個不均勻的、迅速變換的磁場內(nèi)時，由于感應(yīng)作用該高頻電磁場會在金屬材料表面產(chǎn)生一高頻渦流，這一高頻渦流也會產(chǎn)生磁場，其方向與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，從而產(chǎn)生一個吸引力。在合適的空間配制下，可使該力的方向與重力方向相反，通過改變高頻源的功率使電磁力與重力相等，即可實(shí)現(xiàn)電磁懸浮。因考慮到電流損耗問題，本實(shí)驗(yàn)把金屬樣品替換為永磁體，采用單電磁-永磁混合懸浮裝置，通過改變電磁鐵電流的大小，可以調(diào)節(jié)懸浮物體與電磁鐵之間的磁力，從而使電磁力與重力相等，使得“氣包”懸浮，如圖1所示。而“氣包”的正常懸浮之后，我們將控制“氣包”即永磁體在豎直方向上運(yùn)動，此時，只需要改變設(shè)定位置和其相應(yīng)地磁場力大小即可改變“氣包”的懸浮位置。而橫向方面的運(yùn)動，則采用二維馬達(dá)控制系統(tǒng)帶動電磁鐵線圈移動，從而使“氣包”隨之做二維運(yùn)動。

但其懸浮方式是不穩(wěn)定的磁浮，所以需要引入一個反饋裝置來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該反饋裝置包含線性霍爾傳感器和PID控制器，懸浮系統(tǒng)在該反饋裝置的控制下，電磁線圈產(chǎn)生合適的電磁力與永磁體相互吸引，使永磁體穩(wěn)定地懸浮在設(shè)定位置上。如圖2所示，霍爾傳感器能夠檢測永磁體的位置信息，產(chǎn)生電壓信號，而控制器對電壓信號進(jìn)行處理，不斷地將重物位置與設(shè)定位置進(jìn)行比較而產(chǎn)生控制信號，功率放大器根據(jù)控制信號產(chǎn)生所需電流并送完電磁鐵，電磁鐵產(chǎn)生相應(yīng)磁力與重力平衡使得永磁體穩(wěn)定在平衡點(diǎn)附近。由于通電線圈的存在，其產(chǎn)生的磁場會影響到傳感器的檢測，故安排傳感器于懸浮體之下，遠(yuǎn)離電磁線圈避免上述影響。當(dāng)永磁體受到干擾向下運(yùn)動時，永磁體與電磁鐵的距離增大，霍爾傳感器所獲得的位置信號增強(qiáng)，其輸出電壓增大，經(jīng)過功率放大器處理后，使得電磁鐵控制線圈的控制電流增大，電磁吸力增大，永磁體被吸回平衡位置。反之亦然。

2.1.1 線性霍爾元件

電磁鐵中的控制電流并不穩(wěn)定，導(dǎo)致空間磁場也隨之不穩(wěn)定，因而“氣包”很難穩(wěn)定地懸浮在某個位置。所以，對磁場的實(shí)時控制顯得極為重要，在此，我們加入了線性霍爾元件。

霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的，由霍爾效應(yīng)的原理可知：霍爾電勢Vh的大小取決于霍爾常數(shù)Rh（僅與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)）、霍爾元件的偏置電流Ic、磁場強(qiáng)度B和半導(dǎo)體材料的厚度。那么，給定一個霍爾元件，當(dāng)偏置電流Ic固定時，霍爾電壓Vh的大小將完全取決于被測得磁場強(qiáng)度B。

本實(shí)驗(yàn)中用到的是線性型霍爾元件，其輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，超出一定范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

利用線性霍爾元件是為了制造磁平衡式電流傳感器，也叫補(bǔ)償式傳感器，它的具體工作過程為：當(dāng)主回路有一電流通過時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾元件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個補(bǔ)償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測電流產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場，使霍爾元件的輸出逐漸減小。當(dāng)與初級電流Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾元件起到指示零磁通的作用，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾元件就有信號輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)地電流流過次級繞組以對失衡的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場失衡到再次平衡，這是一個動態(tài)平衡的過程。因而通過這個元件，我們可以使“氣包”穩(wěn)定懸浮在水中的某個特定位置而不會不穩(wěn)定地振蕩。

2.1.2 PID微控制器

PID（proportional-integral-derivative）控制是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，通過長期的工程實(shí)踐總結(jié)形成的一種控制方法，其參數(shù)物理意義明確，結(jié)構(gòu)改變比較靈活，魯棒性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)，在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中控制效果較為顯著。現(xiàn)階段，PID控制仍然是首選的控制策略之一。本設(shè)計(jì)的磁懸浮控制系統(tǒng)也是先嘗試用PID控制器來實(shí)現(xiàn)控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進(jìn)行控制。

在磁懸浮系統(tǒng)中采用先比例，后微分，再積分的反復(fù)調(diào)整方法。具體步驟如下：

（1）選取最短采樣周期，去掉微分和積分環(huán)節(jié)，由小到大改變比例系數(shù)，直到懸浮體發(fā)生連續(xù)振蕩。

（2）逐步增大微分作用，以減少超調(diào)，克服振蕩，使懸浮體達(dá)到穩(wěn)定懸浮。

（3）逐步增大積分作用，減少靜差。

（4）再對采樣周期作適當(dāng)調(diào)整。

（5）根據(jù)近似準(zhǔn)則和三個參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的響應(yīng)趨勢對各參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，反復(fù)試湊調(diào)整。

2.1.3 PWM調(diào)制裝置

PWM調(diào)制裝置又叫PWM開關(guān)型功率放大器，其性能的好壞直接影響到整個磁懸浮球系統(tǒng)的動態(tài)性能。本實(shí)驗(yàn)脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)型功率放大器主要包括脈寬調(diào)制器和開關(guān)放大器，脈寬調(diào)制器是控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；開關(guān)放大器根據(jù)反饋電流與給定指令電流比較后的誤差信號，在PWM的作用下，得到一定占空比的脈沖，控制功率開關(guān)，使得正負(fù)輸入電壓交替地以某個頻率加到線圈上，以此改變線圈中的電流。

從上述分析的結(jié)果可知，PID信號的輸出經(jīng)PWM轉(zhuǎn)化為穩(wěn)壓電路信號，經(jīng)過放大之后直接作用于線圈電壓，改變線圈電壓U0，從而達(dá)到迅速地改變線圈輸出的電流進(jìn)而間接控制電磁力的目的，提高懸浮反饋電路的穩(wěn)定性和精確性。

2.2 跟蹤“氣包”軌跡、并測量其速度、直徑

2.2.1 跟蹤氣包軌跡

其想法來源于光幕傳感器，如圖4所示，是一個用安全光幕檢測物體（比如手）進(jìn)入的測試原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，光幕的一邊等間距安裝有多個激光發(fā)射管，另一邊相應(yīng)的有相同數(shù)量同樣排列的激光接收管，每一個激光發(fā)射管都對應(yīng)有一個相應(yīng)的激光接收管，且安裝在同一條直線上。當(dāng)同一條直線上的激光發(fā)射管、激光接收管之間沒有障礙物時，激光發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號（光信號）能順利到達(dá)激光接收管。激光接收管接收到調(diào)制信號后，相應(yīng)的內(nèi)部電路輸出低電平，而在有障礙物的情況下，激光發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號（光信號）不能順利到達(dá)激光接收管，這時該激光接收管接收不到調(diào)制信號，相應(yīng)的內(nèi)部電路輸出為高電平。那么可以利用收不到調(diào)制信號輸出高電平的特性，來得知有障礙物的存在。

那么就可以用激光發(fā)射器和接收器形成類似的三維光幕網(wǎng)格，并建立空間直角坐標(biāo)系。每一條線的兩端分別放置發(fā)射器和接收器，當(dāng)其中存在“氣包”作為障礙物時，信號接收不到，能分別讀出其對應(yīng)的發(fā)射器的位置（x，y，z），并通過程序傳送到電腦上建立三維圖形，即可準(zhǔn)確知道氣包的位置和其運(yùn)動軌跡。

2.2.2 測量“氣包”的速度和直徑

在激光接收管接收到調(diào)制信號后，相應(yīng)的內(nèi)部電路輸出低電平，而在有障礙物的情況下，激光發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號（光信號）不能順利到達(dá)激光接收管，這時該激光接收管接收不到調(diào)制信號，相應(yīng)的內(nèi)部電路輸出為高電平。當(dāng)“氣包”連續(xù)阻擋相鄰的兩道激光線，其對應(yīng)的相鄰的兩個激光接收管的電平信號如圖5所示。

當(dāng)“氣包”開始遮擋第一個激光接收管接收信號時，兩個計(jì)時器開始計(jì)時，直到激光接收管恢復(fù)到正常的接收狀態(tài)第一個計(jì)時器停止計(jì)時得到時間；直到第二個激光接收管被阻擋第二個計(jì)時器停止計(jì)時得到時間。兩個激光接收管之間的固定距離為 ， 略微大于氣球的直徑，則可求得“氣包”的平均速度為

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 磁懸浮法控制“氣包”在液體中的位置

實(shí)驗(yàn)儀器：我們總體的實(shí)驗(yàn)儀器如圖6所示，我們的系統(tǒng)運(yùn)行在一個水槽里，它可以漂浮、移動和控制氣球即永磁體的三維運(yùn)動，其主要實(shí)驗(yàn)儀器包含電磁鐵線圈及其反饋控制電路、二維馬達(dá)控制系統(tǒng)。

其中磁懸浮部分的電路設(shè)計(jì)如圖7所示，電路主要包括霍爾感應(yīng)器、微控制處理器、線圈驅(qū)動器和信號調(diào)節(jié)處理電路。

其中的微控制主要涉及到一個PID控制和PWM脈寬調(diào)制。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。而PWM脈寬調(diào)制，則是根據(jù)PID所算出的占空比對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，從而改變輸出電流的大小而對線圈電流起到一個反饋?zhàn)饔谩?/p>

3.2 利用激光對射遮蔽法跟蹤氣泡的運(yùn)動軌跡、測量“氣包”的速度和直徑

實(shí)驗(yàn)儀器：為消除物理實(shí)驗(yàn)中其他物體運(yùn)動對光線強(qiáng)弱的影響，在測量氣包速度和直徑時，我們采用激光傳感器，時鐘頻率為100赫茲，測量精度為毫秒數(shù)量級。光電計(jì)時電路工作原理見圖8，電路中主要包括傳感器電路、時鐘產(chǎn)生電路、計(jì)數(shù)及顯示電路、控制電路和電源電路五部分。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭鳳婷.光電計(jì)時電路在粘滯系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[D].河南：河南科技學(xué)院，2004.

[2]張波.基于MATLAB的磁懸浮球數(shù)字控制器的研究[D].河南：河南大學(xué)，2005.

[3]Jinha Lee Rehmi Post and Hiroshi Ishii.ZeroN： Mid-Air Tangible Interaction Enabled by Computer Controlled Magnetic Levitation[D].Massachusetts Institute of Technology center for Bits and Atoms.2011.

[4]袁開茂，林小玲.磁懸浮球用PWM開關(guān)型功率放大器[J].機(jī)電工程，2005，22（2）：29-31.

[5]汪希平，哀崇軍，謝友柏.電磁軸承系統(tǒng)的控制策略與功放電路的設(shè)計(jì)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，1995，29（12）：68-73.

[6]陳文娟，吳飛斌，張晉平.基于線性霍爾傳感器的太陽能磁懸浮演示儀[J].大學(xué)物理，2011，30（8）：36-39.