(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210636200.0 (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 街道八一路2 99号 (72)发明人 许贤泽　何加文　彭若桐　徐逢秋　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 许莲英 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种磁悬浮执 行器解耦器的设计实现方法 (57)摘要 本发明属于磁悬浮技术领域， 公开了一种磁 悬浮执行器解耦器的设计实现方法， 该解耦器采 用伪逆矩阵变换利用电流 ‑动力传递矩阵求解得 到线圈中驱动电流的大小， 运用基于空间有限差 分的数值计算方法计算得到电流 ‑动力传递矩 阵， 基于数值计算方法的SIMD范式以及FPGA的流 水线架构， 实现数值计算方法的实时计算， 从而 最终实现磁悬浮执行器的实时解耦。 本发明解决 了现有解耦方法中解耦精度低、 通用性差的问 题。 采用本发 明提供的实时解耦器可以提高磁浮 执行器的控制精度以及运动范围。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 115130337 A 2022.09.30 CN 115130337 A 1.一种磁悬浮执 行器解耦器的设计实现方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 利用有限差分方法求解磁悬浮执行器磁体阵列的空间磁场分布； 为了获取磁体 阵列精确的磁场分布情况， 对其空间磁场所分布 区域进行空间网格划分， 将连续的磁场分 布转化为离散化的各网格节点磁场 强度的大小， 运用有限差分方法， 对经 由麦克斯韦方程 组推导得到的拉普拉斯方程进行求解， 最终得到空间中各网格结点处磁标量的大小， 最终 结合麦克斯韦方程 求解得到空间各网格结点处磁场强度， 磁场强度表达式为： 其中， Bx(i， j， k)、 By(i， j， k)、 Bz(i， j， k)分别表示在编号为(i,j,k)空间结点处沿x、 y以 及z方向的磁场强度大小， 表示在编号为(i,j,k)空间结点处磁标量的大小， Δh表 示网格划分的步进长度； 步骤2： 利用高斯积分求解无铁芯线圈与磁体 阵列的相互作用， 从而求解得到电流 ‑动 力传递矩阵； 离散化求解磁体阵列空间磁场分布的情况下， 为了求解线圈与磁体阵列间的 相互作用， 利用高斯积分对洛伦兹积分近似求解， 将积分形式转化为求和形式， 此时， 磁力 及磁力矩 表达式为： 其中，cEjk代表第j块磁体上第k个磁荷节点的坐标， q代表如图3所示将线圈分为四部分 区域的索引号， 分别代表高斯积分的权重， 点cS坐标为高斯积分节点坐标， 其 与高斯积分积分点 坐标以及线圈的尺寸及位置相关； 步骤3： 采用伪逆矩阵运算的方式根据控制模块所输出期望驱动磁力及磁体阵列的位 置信息计算得到线圈中驱动电流的大小； 为了将控制器输入的期 望磁力及力矩信号转化为 线圈中驱动电流的大小， 以基于空间有限差分方法的磁力模型为基础， 利用伪逆矩阵求解 得到线圈中驱动电流大小， 该 过程基于FPGA的流水线架构实现实时解耦。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115130337 A 2一种磁悬浮执行器解耦器的设计实现方 法 技术领域 [0001]本发明属于磁悬浮转台运动控制技术领域， 尤其涉及一种磁悬浮执行器解耦器的 设计实现方法。 背景技术 [0002]对于磁悬浮工作台实时控制系统而言， 为了达到良好的控制效果， 通常会根据相 关设计指标的不同选用不同的控制方法。 但不论采用何种控制算法， 实现磁悬浮工作台良 好控制效果的前提是根据磁悬浮工作台的电磁模型对驱动电流进行精准解算， 即实现力 ‑ 电流的精确解耦。 [0003]现有的力 ‑电流解耦主要依赖于磁悬浮工作台的电磁模型， 通常会采用曲线拟合、 查找表法以及解析电磁模型实现对控制器所输出的期 望磁力及力矩的解算， 求取每个线圈 中驱动电流的大小。 [0004]曲线拟合及查找表 法能够实现力 ‑电流的实时解耦， 但由于其数据量有限， 会对磁 悬浮工作台的运动分辨率带来限制。 兼顾磁浮执行器平动和转动的解析模 型在多自由度大 行程运动中， 计算误差较大， 无法实现此运动状态下力 ‑电流的精准解耦， 同样会影响磁悬 浮工作台的实时控制效果。 [0005]相较于解析电磁模型， 数值电磁模型不受运动自由度和行程增多的影响， 在六自 由度运动系统中仍能实现磁力和磁力矩的准确计算， 从而实现准确解耦。 然而， 对于磁悬浮 工作台实时控制系统而言， 力 ‑电流的解耦过程必须满足实时性要求， 即解耦计算所需时间 必须小于控制系统的采样周期。 传统的数值模型计算 量大， 无法满足 实时性要求。 发明内容 [0006]为了解决上述存在的技术问题， 本发明的目的是提供一种型磁悬浮执行器解耦器 的设计方法， 以解决现有磁悬浮执 行器解耦方法中解耦精度低， 通用性差的问题。 [0007]本申请实例提供一种通用型磁悬浮执 行器解耦器， 主 要包括以下步骤： [0008]步骤1： 利用有限差分方法求解磁悬浮执行器磁体阵列的空间磁场分布。 为了获取 磁体阵列精确的磁场分布情况， 对其空间磁场所分布 区域进行空间网格划分， 将连续的磁 场分布转化为离散化的各网格节点磁场 强度的大小， 运用有限差分方法， 对经 由麦克斯韦 方程组推导得到的拉普拉斯方程进行求解， 最终得到空间中各网格结点处磁标量的大小， 最终结合麦克斯韦方程 求解得到空间各网格结点处磁场强度， 磁场强度表达式为： [0009] 说　明　书 1/5 页 3 CN 115130337 A 3