基于微重力环境下的“气包”控制定位

颜秋林等

摘 要：微重力环境下的物体具有不一般的物理属性并且微重力环境为药品加工带来极大的便利，文章通过磁悬浮方法模拟微重力环境下的气包悬浮，而通过机械原理可自动化控制气包的运动，并且可以实时监控气包的位置，最后测量出气包的速度及直径。这对于有毒物品的加工和检测具有极大的意义。

关键词：微重力环境；气包悬浮；气包运动；气包速度及直径测量

1 概述

1.1 磁悬浮法控制“气包”在液体中的位置

从表1中可以看出，电磁悬浮因由强烈的热效应，悬浮稳定性好，且由于本实验采用内部安有永磁铁球的小体积气球代替真实的“气包”，可利用电磁悬浮实现微重力下“气包”运动状态的模拟。

通过对比和分析以德国为代表的常导电式磁悬浮，以日本为代表的超导电动磁悬浮和中国的永磁悬浮（它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持），本实验将永磁体与可控直流常导电磁铁相结合的悬浮控制方法克服了中国、日本传统的磁悬浮方法的缺陷，我们选择用装有永磁体的小球及带铁芯的通电线圈完成“气包”位置控制实验。

1.2 利用激光对射遮蔽法跟踪气泡的运动轨迹、测量“气包”速度和直径

目前提供的位置感应技术一般是发射电磁波、超声波、光等，遇到物体被反射回来被接收器接收，最终通过计算时间和波速可以得到物体和发射器之间的距离。但一般来讲，物体的表面必须水平，这样才能保证反射波量，提高检测的稳定性。而本实验中的物体是“气包”即气球，它具有凹凸的表面，很明显用这种方式是不合适的，因为在其表面的漫射很严重，所以本实验选择了激光对射遮蔽的方法进行检测。其优点是激光的方向性好，不受物体表面凹凸情况的影响，而且动作稳定度高，检测距离长。

2 实验原理与分析

2.1 让“气包”达到悬浮状态并控制其运动

“气包”由装有永磁体的气球构成，控制永磁体悬浮及控制“气包”悬浮。

本实验用到电磁悬浮技术（electromagnetic levitation）简称EML技术，它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属品的悬浮。当一个线圈通入交变电流以后，就会在线圈周围产生一个磁场。将一个金属样品放置在这个不均匀的、迅速变换的磁场内时，由于感应作用该高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流也会产生磁场，其方向与线圈产生的磁场方向相反，从而产生一个吸引力。在合适的空间配制下，可使该力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。因考虑到电流损耗问题，本实验把金属样品替换为永磁体，采用单电磁-永磁混合悬浮装置，通过改变电磁铁电流的大小，可以调节悬浮物体与电磁铁之间的磁力，从而使电磁力与重力相等，使得“气包”悬浮，如图1所示。而“气包”的正常悬浮之后，我们将控制“气包”即永磁体在竖直方向上运动，此时，只需要改变设定位置和其相应地磁场力大小即可改变“气包”的悬浮位置。而横向方面的运动，则采用二维马达控制系统带动电磁铁线圈移动，从而使“气包”随之做二维运动。

但其悬浮方式是不稳定的磁浮，所以需要引入一个反馈装置来保证系统的稳定性。该反馈装置包含线性霍尔传感器和PID控制器，悬浮系统在该反馈装置的控制下，电磁线圈产生合适的电磁力与永磁体相互吸引，使永磁体稳定地悬浮在设定位置上。如图2所示，霍尔传感器能够检测永磁体的位置信息，产生电压信号，而控制器对电压信号进行处理，不断地将重物位置与设定位置进行比较而产生控制信号，功率放大器根据控制信号产生所需电流并送完电磁铁，电磁铁产生相应磁力与重力平衡使得永磁体稳定在平衡点附近。由于通电线圈的存在，其产生的磁场会影响到传感器的检测，故安排传感器于悬浮体之下，远离电磁线圈避免上述影响。当永磁体受到干扰向下运动时，永磁体与电磁铁的距离增大，霍尔传感器所获得的位置信号增强，其输出电压增大，经过功率放大器处理后，使得电磁铁控制线圈的控制电流增大，电磁吸力增大，永磁体被吸回平衡位置。反之亦然。

2.1.1 线性霍尔元件

电磁铁中的控制电流并不稳定，导致空间磁场也随之不稳定，因而“气包”很难稳定地悬浮在某个位置。所以，对磁场的实时控制显得极为重要，在此，我们加入了线性霍尔元件。

霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的，由霍尔效应的原理可知：霍尔电势Vh的大小取决于霍尔常数Rh（仅与半导体材质有关）、霍尔元件的偏置电流Ic、磁场强度B和半导体材料的厚度。那么，给定一个霍尔元件，当偏置电流Ic固定时，霍尔电压Vh的大小将完全取决于被测得磁场强度B。

本实验中用到的是线性型霍尔元件，其输出电压与外加磁场强度呈线性关系，在一定的磁感应强度范围内有较好的线性度，超出一定范围时则呈现饱和状态。

利用线性霍尔元件是为了制造磁平衡式电流传感器，也叫补偿式传感器，它的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔元件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔元件的输出逐渐减小。当与初级电流Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔元件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应地电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，这是一个动态平衡的过程。因而通过这个元件，我们可以使“气包”稳定悬浮在水中的某个特定位置而不会不稳定地振荡。

2.1.2 PID微控制器

PID（proportional-integral-derivative）控制是在经典控制理论的基础上，通过长期的工程实践总结形成的一种控制方法，其参数物理意义明确，结构改变比较灵活，鲁棒性较强，易于实现，在大多数工业生产过程中控制效果较为显著。现阶段，PID控制仍然是首选的控制策略之一。本设计的磁悬浮控制系统也是先尝试用PID控制器来实现控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制。

在磁悬浮系统中采用先比例，后微分，再积分的反复调整方法。具体步骤如下：

（1）选取最短采样周期，去掉微分和积分环节，由小到大改变比例系数，直到悬浮体发生连续振荡。

（2）逐步增大微分作用，以减少超调，克服振荡，使悬浮体达到稳定悬浮。

（3）逐步增大积分作用，减少静差。

（4）再对采样周期作适当调整。

（5）根据近似准则和三个参数对系统控制过程的响应趋势对各参数进行微调，反复试凑调整。

2.1.3 PWM调制装置

PWM调制装置又叫PWM开关型功率放大器，其性能的好坏直接影响到整个磁悬浮球系统的动态性能。本实验脉宽调制（PWM）开关型功率放大器主要包括脉宽调制器和开关放大器，脉宽调制器是控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的；开关放大器根据反馈电流与给定指令电流比较后的误差信号，在PWM的作用下，得到一定占空比的脉冲，控制功率开关，使得正负输入电压交替地以某个频率加到线圈上，以此改变线圈中的电流。

从上述分析的结果可知，PID信号的输出经PWM转化为稳压电路信号，经过放大之后直接作用于线圈电压，改变线圈电压U0，从而达到迅速地改变线圈输出的电流进而间接控制电磁力的目的，提高悬浮反馈电路的稳定性和精确性。

2.2 跟踪“气包”轨迹、并测量其速度、直径

2.2.1 跟踪气包轨迹

其想法来源于光幕传感器，如图4所示，是一个用安全光幕检测物体（比如手）进入的测试原理结构示意图。图中，光幕的一边等间距安装有多个激光发射管，另一边相应的有相同数量同样排列的激光接收管，每一个激光发射管都对应有一个相应的激光接收管，且安装在同一条直线上。当同一条直线上的激光发射管、激光接收管之间没有障碍物时，激光发射管发出的调制信号（光信号）能顺利到达激光接收管。激光接收管接收到调制信号后，相应的内部电路输出低电平，而在有障碍物的情况下，激光发射管发出的调制信号（光信号）不能顺利到达激光接收管，这时该激光接收管接收不到调制信号，相应的内部电路输出为高电平。那么可以利用收不到调制信号输出高电平的特性，来得知有障碍物的存在。

那么就可以用激光发射器和接收器形成类似的三维光幕网格，并建立空间直角坐标系。每一条线的两端分别放置发射器和接收器，当其中存在“气包”作为障碍物时，信号接收不到，能分别读出其对应的发射器的位置（x，y，z），并通过程序传送到电脑上建立三维图形，即可准确知道气包的位置和其运动轨迹。

2.2.2 测量“气包”的速度和直径

在激光接收管接收到调制信号后，相应的内部电路输出低电平，而在有障碍物的情况下，激光发射管发出的调制信号（光信号）不能顺利到达激光接收管，这时该激光接收管接收不到调制信号，相应的内部电路输出为高电平。当“气包”连续阻挡相邻的两道激光线，其对应的相邻的两个激光接收管的电平信号如图5所示。

当“气包”开始遮挡第一个激光接收管接收信号时，两个计时器开始计时，直到激光接收管恢复到正常的接收状态第一个计时器停止计时得到时间；直到第二个激光接收管被阻挡第二个计时器停止计时得到时间。两个激光接收管之间的固定距离为 ， 略微大于气球的直径，则可求得“气包”的平均速度为

3 实验设计与实验内容

3.1 磁悬浮法控制“气包”在液体中的位置

实验仪器：我们总体的实验仪器如图6所示，我们的系统运行在一个水槽里，它可以漂浮、移动和控制气球即永磁体的三维运动，其主要实验仪器包含电磁铁线圈及其反馈控制电路、二维马达控制系统。

其中磁悬浮部分的电路设计如图7所示，电路主要包括霍尔感应器、微控制处理器、线圈驱动器和信号调节处理电路。

其中的微控制主要涉及到一个PID控制和PWM脉宽调制。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。而PWM脉宽调制，则是根据PID所算出的占空比对脉冲的宽度进行调制，从而改变输出电流的大小而对线圈电流起到一个反馈作用。

3.2 利用激光对射遮蔽法跟踪气泡的运动轨迹、测量“气包”的速度和直径

实验仪器：为消除物理实验中其他物体运动对光线强弱的影响，在测量气包速度和直径时，我们采用激光传感器，时钟频率为100赫兹，测量精度为毫秒数量级。光电计时电路工作原理见图8，电路中主要包括传感器电路、时钟产生电路、计数及显示电路、控制电路和电源电路五部分。

参考文献

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