电悬浮位置控制系统原理静电悬浮位置控制系统构成系统功能系统工作环境悬浮对象位置控制精度位置控制频率系统硬件设计与实现静电悬浮位置控制系统组成位置测量设计与实现位置测量设计位置测量实现控制单元硬件设计与实现单片机及外围电路模数转换器及接口电路数模转换器及接口电路串口接口电路电源设计目录电磁兼容设计高压放大器的选择电极的设计系统硬件实现系统软件设计与实现编程语言和开发环境系统主程序控制子程序串口中断子程序开关量中断子程序控制算法设计控制积分分离的控制算法参数整定位置控制消耗时间位置控制系统悬浮实验位置控制系统实验装置悬浮过程实验结果分析工作总结与展望工作总结进步工作展望参考文献附录附录三维控制板原理图附录三维控制板实物图致谢表目录图目录图早期进行空间材料实验所采用的电极结构图日本目前使用的静电悬浮电极结构图静电悬浮基本原理图小球在极板间受到的作用力示意图图侧面电极电场力分析图半径钢球在不同极板间距的起步电压图静电悬浮实验装置图钢球浮起状况图图静电悬浮位置控制系统组成示意图图系统的个控制周期图静电悬浮位置控制系统组成图象限探测器原理图图工作原理和等效电路图表面分割型的结构和等效电路图表面分离型结构和等效电路图枕形结构和等效电路图维信号处理电路图二维信号处理电路图检测阴影示意图图三维位置测量摆放示意图图图小球会受重力库仑力以及两极板对它的吸引力。若上下极板的距离，小球中心距离下极板的距离为，上极板施加电压为，小球的带电量为，那么小球受到力的向上的力为上，小球受到向下的力为下，小球受到的合力为，小球能够悬浮的条件，其中为自由空间的电容率，，小球的电容为，又因为，得到小球能够浮起的临界电压静电悬浮位置控制系统综述，小球悬浮时的带电量为，如果小球偏移中心位置为，若要使用侧面电极对小球的水平方向进行控制，使其回复到中心位置，如图所示。图侧面电极电场力分析那么，小球受到侧面电极在方向的电场力为为，小球受到像电荷产生的回复力为，小球受到电场的合力为,由式和分析可知竖直方向上，悬浮样品在上下极板间在不同位置受到的电场力大小由下电极向上逐渐增强，悬浮样品在上下电极间时十分不稳定。水平方向上，悬浮样品偏离中心位置时，电极的镜像力和静电场的电场力对静电悬浮位置控制系统的设计悬浮样品均产生向中心的回复力，因此水平方向上悬浮有个稳定点，那就是水平方向的中间位置。无控制静电悬浮过程实验根据理论分析，进行静电悬浮实验。悬浮对象选择半径为的钢球，根据式，钢球离开下极板时的电压应为，因此在不同极板间距时悬浮的理论起步电压如图所示。图半径钢球在不同极板间距的起步电压实验在真空度为的真空腔内进行，下电极接地，上极板接高压放大器的输出端，实验装置如图所示。图静电悬浮实验装置静电悬浮位置控制系统综述上下极板间加直流电压并慢慢调高，当极板间电压约为时，钢球离开下极板在上下极板间作高频的往复运动，并带有放电现象，如图所示。图钢球浮起状况图根据的理论分析，若考虑镜像力，钢球离开下极板时的电压应为若不考虑镜像力，钢球离开下极板时的电压应为而实际上只有，分析其原因主要是因为当计算上下极板对悬浮样品产生的镜像力时，是把上下极板当做理想的无限大的导体来看的，而实际上上下极板不是无限大的导体，因此镜像力也没用理论上的那么大，这就导致理论上的悬浮起步电压和实际有些偏差。由于静电场不存在三维势阱，感应带负电的钢球在下极板受到向上的合力小于在上极板受到向上的合力，钢球在下极板冲完电后会以加速度越来越大的运动状况碰撞到上极板，放电的同时感应带正电，再向下做变加速运动碰撞下极板，钢球再次放电并又感应带负电，然后不断重复刚才的这个过程，这就是实验过程中所观察到的状况。静电悬浮位置控制系统原理及构成静电悬浮位置控制系统原理根据定理及前节描述的实验，静电场不存在三维势阱，所以要实现稳定悬浮就必须结合负反馈控制系统，对悬浮材料进行位置控制。根据分析，小球受到电场力的合力为静电悬浮位置控制系统的设计，当时，两极板的镜像力相互抵消，此时当时，上极板的镜像力大于下极板的镜像力，。上下极板的镜像力其实是同两极板间中心位置相对称的对力，因此，悬浮引入反馈控制时，两极板的中心位置是悬浮的最佳位置。静电悬浮位置控制系统的基本控制方法是探测悬浮样品的实际位置，当悬浮样品偏离两极板中心位置向下时控制系统输出控制信号增大极板电压，增大向上的浮力当悬浮样品偏离两极板中心位置向上时控制系统输出控制信号减小极板电压，减小向上的浮力。静电悬浮位置控制系统构成静电悬浮位置控制系统的实质是通过调整极板间电场的大小实现对悬浮材料的位置控制，使悬浮材料在极板间能够稳定悬浮，是个闭环反馈控制系统。静电悬浮位置控制系统由位置检测单元控制单元高压放大单元电极板以及悬浮材料等组成，如图所示。图静电悬浮位置控制系统组成示意图当悬浮材料放在电极板间时，由位置检测单元检测悬浮材料的位置，把材料的位置数据输出给控制单元。控制单元比较位置检测单元输入的实际位置和控制系统的目标位置，进行控制算法运算，把计算出的控制数据转换成电压信号输出给电压放大单元。电压放大单元把电压控制信号进行放大，放大后的高压施加到极板间，就可通过调整静电场的大小改变施加到悬浮材料的作用力，从而实现对悬浮材料的位置控制。本课题的静电悬浮位置控制系统是静电悬浮材料实验装置的重要部分，其主要用途是进行材料科学实验，进行深过冷条件下的材料制备与凝固理论研究。材料的凝固过程需要先对其加热，而普通的固体材料熔点般较高，要对其研究必须要通过激光加热等途径使静电悬浮位置控制系统综述固体材料变为液态。由于加热激光光束位置是固定的，这对静电悬浮的位置控制精度也提出了相当高的要求。只有竖直方向维的控制显然不能满足实际需求，必须要对悬浮材料的三个方向进行位置控制。所以，实际使用的静电悬浮位置控制系统需要对悬浮材料进行三维位置控制，需要对悬浮材料进行三维的位置检测，也需要三路的直流高电压施加到三方向的极板间，控制悬浮材料的三维位置。系统功能静电悬浮位置控制系统的功能是进行在静电悬浮材料加工时的对材料进行悬浮位置控制，材料加工时的过程为把材料样品悬浮至固定的位置，开启外部加热激光对样品进行加热融化热物性观察和深过冷等研究过程，在深过冷过程时可随时中断对样品的悬浮操作，最终得到加工好的材料。根据材料加工时对材料的位置控制过程，拟定了以下功能需求系统上电后，经过个悬浮起步操作后使悬浮材料悬浮在指定的三维位置上，悬浮情况稳定，位置保持固定不变便于激光加热。为了便于对悬浮状况的观察和分析，系统应把实时探测到的三维位置数据传送给上位机，便于上位机观察和分析。由于悬浮的材料大小和材质都不相同，不同的悬浮对象的控制参数也不会相同。系统能够通过上位机在线调整控制参数以及保存当前的控制参数。由于研究材料时，会对其加工，因此当材料加工完成时，可随时通过手动或程序控制关闭电压输出，终止悬浮操作。系统工作环境本课题所设计的静电悬浮位置控制系统，是应用于静电悬浮材料实验装置，对材料进行悬浮的设备。系统的工作环境必须要满足静电悬浮材料实验装置的要求悬浮过程可在大气和真空环境下完成。悬浮过程中要对材料进行激光加热，材料的温度高达以上，悬浮位置控制过程中会受到加热激光材料发光以及材料热辐射等因素的影响。外界杂光照明灯光也会对位置控制系统中的位置探测精度产生影响。因此系统有定的抗外光干扰的措施。温度测量装置采用以上波段的双波长测微仪，位置测量装置的照明光源不能与双波长测微仪德工作波段相干扰。静电悬浮位置控制系统的设计悬浮对象系统的悬浮材料包括金属非金属和半导体。由于以下的材料对材料加工意义不大，而地面条件下以上的材料不容易进行悬浮，悬浮材料的直径范围在到之间。位置控制精度系统位置控制精度主要由以下几个方面考虑加热激光为了有效的加热悬浮材料，悬浮材料要直处于激光的照射位置。为了防止悬浮材料脱离激光的照射位置，悬浮材料的位置变动就必须要小于悬浮材料的半径。从较低点考虑，如果是的悬浮材料，那么位置控制的精度就应该在以下。热物性测量材料实验过程中，需要对悬浮材料用摄像机进行放大观察，测量其体积大小。如果摄像机的分辨率为，悬浮材料被放大于到直径像素左右并显示在画面上，那么上下移动像素以上就会脱离观察范围，那么的悬浮材料要求位置控制精度为。综上所述，静电悬浮位置控制系统的位置控制精度设定在以内，这也是日本宇航局静电悬浮炉的位置控制精度设计要求。位置控制频率由国外文献可知垂直方向控制频率，水平方向控制频率以上可实现稳定悬浮，本文设定本系统的位置控制频率设计目标为垂直控制频率，水平控制频率，以此来达到位置控制精度要求。分类号密级编号中国科学院研究生院硕士学位论文静电悬浮位置控制系统的设计指导教师中国科学院空间科学与应用研究中心申请学位级别硕士学科专业名称计算机应用技术论文提交日期论文答辩日期培养单位中国科学院空间科学与应用研究中心学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席摘要摘要无容器加工技术可以避免材料在凝固过程中受到容器壁的影响，提高材料的过冷度，是空间材料科学发展的个重要研究方向。相对于其他悬浮技术，静电悬浮技术由于悬浮时不对样品产生额外的能量输入，不对材料凝固过程产生额外的干扰因素，易于结合其他非接触测量设备实现材料的热物性测量，更适合进行空间材料科学试验，有期望成为我国未来空间材料科学的重要试验装置之。静电悬浮