（电机与电器专业论文）混合励磁悬浮系统的研究与设计.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g yi st h et e c h n o l o g yw h i c hm a k e st h eo b j e c ts u s p e n d i nt h ea i rs t a b l yb yu s i n gm a g n e t i cs u c t i o nt oo v e r c o m ei t sg r a v i t y i ti sac o m p o s i t i v es u b j e c t w h i c hi n t e g r a t e sal o to fr e s e a r c hf i e l d ss u c ha 8m a t e r i a lk n o w l e d g e ，e l e c t r o m a g n e t i c s ， c o n t r o lt h e o r y , p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , s i g n a lp r o c e s s t h et r a d i t i o n a le l e c t r i c a l m a g n e t i cs u s p e n s i o n ( e m s ) s y s t e mh a sal o to fe l e c t r o m a g n e t i cc o i lw h i c hm a k e ss y s t e m h a v eab i gm o o l l to fi n d u c t i o na n do b v i o u s l ys l o wd o w nt h er e s p o n s eo fc o n t r o l l i n g a sa r e s u l t , t h es u c c e s s f 0 1s u s p e n s i o ni sh a r dt oa c h i e v e n 幢h y b r i de x c i t a t i o nw h i c hi st h em o s t u p - t o - d a t er e s e a r c ht e c h n o l o g yc a r ln o to n l yg e to v e rt h ed i s a d v a n t a g e so fe m ss y s t e m ，b u t a l s or e d u c et h ep o w e rc o n s u m e db yt h es y s t e m n ks t r u c t i l r co fh y b r i de x c i t a t i o nm a 卸e ti sd e s i g n e d , t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a ea n d d e s i g np r o c e d u r eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d ，a n dt h eh y b r i de x c i t a t i o nm a g n e t w h i c hm e e t st h ed e m a n d so ft h em a g l e vs y s t e mi sf i n a l l ya c c o m p l i s h e d i nt h ea s p e c to f t h e o r y , t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h eh y b r i de x c i t a t i o nl e v i r a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e da n d t h ed u a lc l o s e di o o pc o n t i _ o ls y s t e mm o d e li st h e nf o u n d e do nt h eb a s i so fi lt h ec o n t r o i s t r a t e g i e sb a s e do nt h ec l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , m o d e r nc o n t r o lt h e o r ya n df u z z yc o n t r o l t h e o r ya r cd i s c u s s e da n dt h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ep a r a m e t e ra d j u s t m e n to ft h ea n a l o g c o n t r o l l e ra f ea l s oa n a l y z e d a tt h e8 a l n et i m e , t h es t r u c t u r eo f t h ep o w e ra m p l i f i e rs a t i s f y i n g t h es p e c i a ln e e do ft h es y s t e mi ss t u d i e da n dd e s i g n e d a tl a s t ，o i lt h er e s u l t so fc o m p u t e r s i m u l a t i o n , t h eh y b r i de x c i t a t i o nl e v i t a t i o ns y s t e mp l a t f o r mf o re x p e r i m e n ti sr e a l i z e d t h r o u g hu n c e a s i n gt e s ta n dc i r c u i ti m p r o v e m e n t ，t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c et a r g e to fe a c h m o d u l ei sa c h i e v e d t h el a s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o no u t l i n e st h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n de x p e c t st h ef u r t h e r r e s e a r c ha sw e l l k e y w o r d s ：m a g n e t i cl e v i t a t i o n , h y b r i de x c i t a t i o n , c o n t r o l l e r , f u z z y c o n t r o l p o w e r a m p l i f i e r v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：冯圭日期：色翌旌主刁上3 日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 7 一i 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄主聊签名：牲日期：翌：! ：三 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁悬浮技术的发展与现状1 1 1 1 1 1 发展械况 从中国古代四大发明之一的指南针，到现代医疗的核磁共振检测设备，从工 业用电磁阀，到商业化磁悬浮列车，人类对于磁场的探索研究在不断的进行着。 磁悬浮，就是利用磁场产生的磁力来克服重力，支撑物体无接触悬浮于空中 的技术。在一百六十多年前，英国物理学家思思霍斯( e a r n s h a n w s ) 发现了抗磁 物体可以在磁场中自由悬浮，此现象于1 9 3 9 年由布鲁贝克( b r a u n b e c k ) 进行了严 格的理论证明。1 9 2 2 年德国工程师赫尔曼肯佩尔( h e r m n nk e m p e r ) 首先提出了 电磁悬浮原理，并于1 9 3 4 年获得了制造磁悬浮铁路的基本专利，他提出要使铁 磁体实现稳定的悬浮必须根据物体的悬浮状态不断调节磁场的大小，即采用可控 电磁铁才能实现稳定的悬浮。这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁轴承研究的 主导思想。 二十世纪六十年代后，各主要工业国家相继投入有源磁悬浮技术的研究，成 果主要在军事领域获得应用。进入七十年代后，有源磁悬浮技术开始向一般工业 应用转化，如磁悬浮列车高速机床等。七十年代后期以来，电力电子技术磁 性材料技术计算机技术检测技术和控制理论的发展，促进了磁悬浮技术的飞 速发展，磁悬浮技术成为各国研究开发的热点，越来越多的科研单位和公司加入 到磁悬浮技术的研究和开发的行列。 现在磁悬浮技术己拓展出许多分支，向交通，空间技术，工业运输，机械加 工，冶金，医疗，会展等各个领域渗透，在空气压缩机、减振器，真空分子泵 高速机床，卫星天线，列车等领域得到了广泛的应用，这些成果都与它得天独厚 的优点分不开的。 1 无接触这是磁悬浮最根本，也是最主要的优点，由此可以带来无摩擦 阻力、无机械磨损、低能量损耗、低噪声，低维护费等一系列极具应用价 值的优点。 2 无需支撑介质可以在真空、超净、高温、低温等各种特殊条件下甚至 上海大学硕士学位论文 在生物体内应用，长期工作无需润滑和维护。 3 实现主动控制能够在各种需要减振、支撑硬度能够改变的系统中得到 应用，也易于实现计算机控制，进而实现远动监控以及自动检测和诊断， 自动化程度高。 随着现代工业的飞速发展和人类生活质量的不断提高，人们不但对生产和生 活中的效率、速度和产品质量等方面的要求越来越高，同时对环境如噪声、空气 等等污染指标的要求也越来越严格。磁悬浮技术的这些特点所决定的应用优势恰 恰适应了这些方面的要求，它提供了一种有效的手段，将给人类未来的生产，生 活带来深刻的影响。 1 1 2 应用现状 磁悬浮技术的应用领域较为广泛，在具体系统的实现上又各具特点，但其基 本原理可归纳为以下几种类型2 j 4 】： 1 常导电磁悬浮 常导电磁悬浮( e l e c t r i c a lm a g n e t i cs u s p e n s i o n ，e m s ) 采用由常规金属导 线绕制而成的电磁铁作为工作磁体，对电磁铁线圈通以电流以产生对铁磁材料的 电磁吸引力，当电磁力始终平衡磁悬浮体的重力时，悬浮体即可实现稳定悬浮。 这种悬浮状态本质是不稳定的，任何微小的扰动都可能使悬浮体掉下或被吸 向磁体。为获得稳定的悬浮，需要实时调节线圈的电流来控制吸引力的大小，以 实现被悬浮体的稳定悬浮。 常导电磁悬浮( e m s ) 是悬浮技术中最常用的一种形式，其主要特点就是需 要引入主动控制系统以维持稳定悬浮；悬浮体必须是导磁体：可以实现静止悬浮。 但是电磁悬浮系统为了满足悬浮力的要求在设计中必须选择足够的安培力，这就 要求电磁铁线圈具有足够多的匝数和通以相应大的电流，所带来的问题是系统电 感减缓了控制的响应速度，丽快速性对于电磁悬浮系统的稳定悬浮是十分重要 的。在实际设计中提高系统的响应速度和保证足够的电磁吸力就成为一对需要平 衡的矛盾，同时磁悬浮系统中长时间通电的电磁铁所带来的功耗也是不容忽视 的。 2 超导电磁悬浮 2 上海大学硕士学位论文 超导电磁悬浮( e l e c t r od y n a m i c ss u s p e n s i o n ，e d s ) 是采用具有零电阻的超导 线圈绕制而成的电磁铁作为工作磁体。它不仅从原理上克服了常导磁悬浮的发热 和能耗问题，极大地提高了能量利用率，更重要的是超导线圈可毫无阻挡地让强 电流通过，从而产生超强的磁场。超导电磁悬浮主要采用斥力悬浮，即：使悬浮 体与另一个导体之间发生相对运动，产生感应电流，这一感应电流产生的磁场与 原磁场极性相反，从而获得斥力，使悬浮体悬浮起来。 超导磁悬浮的主要优点是斥力系统是自稳定的，无需主动控制，也无需沉重 的铁芯，线圈中的能量损耗很少。但其不足之处在于超导磁悬浮对环境的要求更 高( 环境温度要达到超导体的临界温度) ，这是制约超导应用的一个瓶颈，同时系 统的悬浮力与悬浮体相对运动的速度有关，只有达到定速度才能实现悬浮。 超导磁悬浮主要应用于超导型磁悬浮列车( 以日本的m l u 系列超导磁悬浮 列车为代表) 和一些超高速磁悬浮轴承。 3 永磁体悬浮 永久磁铁是使用硬磁材料充磁后所具有的很强的剩磁效应制造的，在使用中 不消耗能源，在节能要求较高的磁悬浮应用场合有其特殊的优势。永磁铁悬浮 ( p e r m a n e n tm a g n e ts u s p e n s i o n ，p m s ) 利用永磁体之间的排斥力产生磁浮。但 严格来讲这种磁浮方式是不稳定的，必须至少对一个自由度加以控制或约束，实 例如永磁斥力型磁浮搬运装置，永磁磁浮轴承等。 基于上述三种主要实现方案，磁悬浮技术已广泛应用到工业和民用等多个领 域。 首先，最为热门的应用方向莫过于磁悬浮列车【5 , 6 1 ，德国选择了常导磁悬浮 方式而放弃了超导悬浮的研究啊，目前其常导高速磁悬浮列车已发展到t r 0 8 型 号( t r 为t r a n s r a p i d 的简称) ，最高时速可达5 0 0 k m h ：日本则同时进行了常 导和超导两个方向的研究i s , 9 】，其常导中低速磁悬浮列车( hj i g hs p e e ds u r f a c e t r a n s p o r t ，h s s t ) 和超导高速磁悬浮列车( m l u 系列，后改称为m l x 系列) 均己建成多条试验线路，其中1 9 9 7 年4 月3 日建成的山梨试验线长1 8 4 k m ，从 1 9 9 7 年4 月开始进行高速磁悬浮列车的试验运行，试验速度已超过5 5 0 k m h ，并 计划修建由东京至大阪、长5 0 0 公里、时速5 0 0 公里的磁浮列车运营线。 此外，英国早在8 0 年代中期就已建成从伯明翰机场到市区的低速常导型磁 3 上海大学硕士学位论文 悬浮列车实用线路，韩国、美国、加拿大等国也在这方面进行了众多项目的研制 和开发【埘。 我国经过“七五”前期研究和“八五”联合攻关，在常导低速磁悬浮列车方面己 取得许多重要成果，其关键技术已基本解决，形成了具有相当水平的研究队伍， 国防科技大学已与铁道部科学研究所合作于1 9 9 5 年5 月成功研制出吸力型单转 向架磁悬浮列车【5 , 6 a o ：西南交通大学自主研发了中国第一辆具有自主知识产权的 中低速列车于2 0 0 6 年4 月3 0 日在四川省都江堰市青城山建成并联调成功，同时 西南交通大学在高温超导磁悬浮方面也取得了较大的成果。 其次，在磁悬浮轴承方面，既有采用超导方式，也有采用常导方式和永磁方 式的【1 1 】。我国在这方面研究起步较晚，1 9 8 0 年清华大学开始定性研究。1 9 8 6 年 哈尔滨工业大学开始研制五维主动式磁力轴承，并获国家自然科学基金资助， 1 9 9 0 年成功地实现了静、动态稳定悬浮。目前南京航空航天大学，上海大学等 学校在该领域的理论研究，样机研制方面居国内领先水平。 再次，高速磁悬浮电机( b e a r i n g l c s sm o t o r s ) 是近年提出的一个新研究方向【1 2 】， 它集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有自悬浮和驱动能力，不需要任何独立的轴 承支撑，且具有体积小、临界转速高等特点，更适合于超高速运行的场合，也适 合于小型乃至超小型结构。国外自9 0 年代中期开始对其进行了研究，相继出现 了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种结 构。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单，成本低，可靠性高，气隙均匀，易于 弱磁升速，是最有前途的方案之一。 传统的电机是由定子和转子组成，定子与转子之间通过机械轴承连接，在转 子运动过程中存在机械摩擦，增加了转子的摩擦阻力，使运动部件磨损，产生机 械振动和噪声，使运动部件发热，润滑剂性能变差，严重的会使电机气隙不均匀， 绕组发热，温升增大，从而降低电机效能，最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机 利用定子和转子励磁磁场间的作用使转子悬浮起来，同时产生推迸力驱使转子在 悬浮状态下运动。目前磁悬浮电机主要有：磁悬浮轴承电机，磁悬浮旋转电机， 磁悬浮直线电机等，其研究越来越受到重视，并有一些成功的报道。如磁悬浮电 机应用在生命科学领域，现在国外己研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏 血泵，采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高，而且可以防止血细胞破损，引 4 上海大学硕士学位论文 起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅为解除心血管病患者的疾苦， 改善患者生活质量，而且为人类延续生命具有深远意义。 在其他方面，例如磁悬浮熔炼，磁悬浮防震装置，磁悬浮搬运等也是磁悬浮 技术的一系列应用方向。总之，磁悬浮技术经过数十年的发展过程，逐渐得到了 世界各主要工业国家的普遍重视。不仅磁悬浮研究本身取得了长足的进步，而且 拓展出许多分支，向工业、军事和民用等各个领域渗透，其应用前景不可限量。 1 2 常导电磁悬浮系统的设计要点 常导电磁悬浮( e m s ) 系统的工作原理图如图( i - i ) 所示，主要由电磁铁 本体，控制器，功率放大嚣和传感器几大部分构成。 参 图卜l 典型常导电磁悬浮系统的构成图 其中，电磁铁本体是悬浮系统的磁场提供装置，通过改变流过电磁铁线圈电流的 大小可以调节磁场大小，进而调整对悬浮体磁吸力的大小，电磁铁的结构和性能 直接影响到磁悬浮系统的稳定性和快速响应性；控制器根据传感器反馈回来的系 统状态信号和标定位置参考电压来调节p w m ( 脉冲宽度调制，p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 的缩写) 控制信号的占空比，控制信号输送给功率放大电路；功率 放大器作为执行机构完成对控制信号的隔离和驱动放大后，提供给电磁铁相应的 驱动电流；传感器负责实时采集悬浮体的位置和流过电磁铁线圈的电流等悬浮系 统的状态信号，并将其转化为电信号提高给控制器。 上述常导电磁悬浮系统四大主要部分的设计要点如下： 5 上海大学硕士学位论文 1 2 1 励磁方式的设计 对于常导电磁悬浮系统，目前采用最多的励磁方式为单纯电磁线圈通电产 生磁场，这种励磁方式的优点是励磁电流可以在不超过线圈限定电流的范围内连 续调节，相应的电磁铁对外提供的磁吸力也连续可调，电磁铁结构一般较为简单， 便于系统的数学建模和磁场计算。 为了保证电磁悬浮系统的悬浮气隙可以在一定范围内进行调节，因此需要电 磁铁能够提供相应的磁场强度，这就要求电磁铁在设计中必须选择足够的安培 力，由于过大的电流会对电磁铁本体设计，磁场计算和功率放大电路的设计带来 额外的困难，在实际设计中往往采用足够多的电磁线圈匝数和合适的设计电流。 所带来的问题是电磁铁线圈具有电感，会减缓控制的响应速度，而快速性对于电 磁悬浮系统的稳定悬浮是十分重要的。在实际设计中提高系统的响应速度和保证 足够的电磁吸力就成为一对需要平衡的矛盾，同时磁悬浮系统中长时间通电的电 磁铁所带来的功耗也是不容忽视的。 混合励磁( h v b r i de x c i t a t i o n ) 方式提供磁场在磁悬浮技术中属于新颖、前 沿的应用，该种方式采用永磁材料和电磁铁共同提供悬浮系统所需的磁场，克服 了单独使用这两种方式的缺点，在提供相同励磁容量的情况下，减少了电磁铁线 圈的匝数，进而减小了系统电感，提高了系统响应速度，同时降低了系统功耗。 在带来诸多优点的同时，混合励磁方式也对电磁悬浮系统的设计引出了新的 困难和挑战，由于永磁材料产生磁场难以控制，在励磁容量一定的情况下，磁场 的可控调节范围减小，对于控制器的控制精度和快速性提出了更高的要求；要求 电磁铁线圈中的驱动电流不仅大小可以调节，方向也可以变化；而且采用混合励 磁方式后，悬浮系统的数学模型更为复杂，磁场计算也更为困难。 1 2 2 控制策略的选择 依据1 1 2 中的相关叙述，针对电磁悬浮系统，需要设计能够稳定原本不稳 定对象，并具有良好控制指标的控制器。下面对电磁悬浮系统典型的控制策略做 一简单的归纳和探讨。 为获得稳定的悬浮状态，需要通过反馈控制系统控制悬浮状态，如何选取反 馈量和如何确定反馈系数就构成磁悬浮控制系统设计的不同思路。实际上通过位 6 上海大学硕士学位论文 置和速度反馈就可以稳定原来不稳定的电磁悬浮系统，但为获得一定的动、静态 指标及稳定裕量，设计者常常还会附加设置电流、磁通、加速度及位置误差积分 等参数的反馈，它们各有优缺点。例如电流、磁通反馈可以降低系统滞后，提高 控制品质，但是也会使系统开环增益降低；再如积分反馈的加入，虽然可以提高 系统悬浮的稳态精度，但却容易引起系统的超调。诸如此类的问题可能会带来系 统设计上的许多矛盾，因此反馈量的选取需要根据设计要求综合考虑，合理协调。 反馈量一经选定，就可以对控制器进行设计。纵观国内外各类文献，可将磁 悬浮技术中控制器的设计思想大致归为两大类：一种为传统的控制器综合，另一 种为鲁捧控制思想的应用。 1 传统的控制器综合 传统的控制器综合主要是经典的频域设计方法和现代的状态空间方法。 通常，以p i d 控制为代表的控制器设计是基于经典的频域设计方法，通过控 制器设计来校正系统的频率特性，获得稳定运行的稳定裕量和控制品质。其优点 是物理概念明确，方法直观，但这种方法难以对系统进行优化设计，也不利于处 理多变量系统。而建立在时域的现代状态空间设计方法，由于状态矩阵的系数物 理意义不甚直观，手工设计不方便，但却适宜于计算机处理像零极点配置一类的 问题，而且时域上容易建立系统的优化指标，特别是对多变量大系统的模型来说 十分方便，用计算机来处理系统性能优化问题也很容易，比如实现线性二次型最 优或最小时间最优控制器掣1 3 】。另有将古典方法和现代控制理论结合的分析与综 合方式【1 4 】。 2 鲁棒控制思想的应用 1 5 , 1 7 , 3 2 j 3 】 鲁棒控制思想在磁悬浮控制器设计上的应用是为了提高系统对模型误差和 扰动的适应能力，控制界提出了多种控制思路，大致分为两类： 一种是通过在线调整控制器去适应被控对象的变化，如模型参考自适应控制 方法，自整定p i d 控制方法、模糊控制和变结构控制方法等 3 6 3 7 3 8 , 3 9 】。另一种是 通过设计具有鲁棒性的控制器，使模型变化对控制系统的影响较小，如灵敏度最 优控制方法、线性二次型高斯最优控制方法、定量反馈控制方法咀及士l 控制方 法等 1 6 , 1 7 1 。 目前已有一些文献中论述采用神经网络控制器来控制电磁悬浮系统，是一种 7 上海大学硕士学位论文 比较新颖的尝试，由于神经网络可以通过学习自动适应不同的控制目标，因此适 于控制非线性和模型不确定的系统，但是神经网络的理论至今尚不成熟，具体应 用于磁悬浮系统的实例较少。 1 2 3 功率放大电路的设计 电磁悬浮系统的功率放大电路为电磁铁提供驱动电流，用以产生悬浮所需的 磁场。 根据信号的不同，功率放大电路可以分为线性功率放大电路与开关功率放大 电科坫，帅】。二者均可应用于电磁悬浮系统，在小功率和控制精度要求高的场合， 线性功率放大电路较开关功率放大电路具有以下优点：无毛刺尖峰，信号稳定。 电流较为恒定。o 不影响系统的控制精度。其缺点在于价格较为昂贵，所允许 的最大功率比较有限，散热量大，相应的散热机构体积较大。 开关功率放大电路在功率容量，价格方面具有自己的优势，全桥型开关功 率放大电路( 也称h 型功率放大电路) 可以实现负载电流的双向流动，可以应 用到混合励磁悬浮系统中，半桥型功率放大电路只能实现负载电流的单向流动， 一般应用于单纯使用电磁线圈产生磁场的电磁悬浮系统。 1 2 4 传感器的选型 目前市场上产品化的非接触式位移信号检测传感器主要有：超声波式位移传 感器，霍尔式位移传感器，光电式位移传感器，红外位移传感器，电涡流位移传 感器。 综合考虑传感器的价格，对检测体表面光洁度的要求，位移测量范围，测量 速度和精度，可应用的场合的因素，磁悬浮系统较多的采用电涡流位移传感器。 对于电磁铁线圈中驱动电流的检测，采用电流一电压传感器，可将线圈中的 电流实时转化为对应的电压信号提供给控制器。 1 3 课题研究的目的与价值 我国对于磁悬浮技术的研究起步较晚，虽然西南交通大学，国防科技大学在 磁悬浮列车方面取得了重大突破，分别修建了自主知识产权的试验线路和磁悬浮 列车；清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学、 8 上海大学硕士学位论文 上海大学等都在磁悬浮轴承方面开展了深入研究，并取得一定成果，但与德国， 日本等国家仍有较大的技术差距，因此为了缩短与他们的技术差距并将磁浮技术 实用化、多元化，需要有更多科研工作者投入到磁悬浮的研究中来，这也是开展 此项课题研究的主要目的和价值。 不论是磁悬浮列车还是磁悬浮轴承，不论是磁悬浮熔炼还是磁悬浮搬运，应 用对象、应用功能不同，但其核心思想都是一致的，即解决各目标对象的悬浮问 题。本课题作为台达电力电子科研基金资助项目，研究并设计混合励磁悬浮系统， 课题内容包括混合励磁磁铁设计，悬浮系统数学建模，控制策略研究和控制器设 计，功率放大器的设计等方面，课题的研究对电磁悬浮技术的进一步深入研究起 到一定的作用，具有相应的借鉴和参考价值。 i 4 本论文的主要研究内容 本文对混合励磁悬浮系统的磁铁本体进行研究，在磁路计算的基础上，设计 并制作了符合系统性能要求的混合励磁磁铁。对混合励磁悬浮系统进行了原理分 析，建立了数学模型，研究了几类可用于混合励磁悬浮系统的控制策略，并在计 算机上完成了控制器的仿真。设计并制作完成了全桥型开关功率放大电路和自适 应多路选择p i d 控制器，搭建了系统的整体试验平台，并对系统各部分进行了联 合调试。 从论文布局上，本篇论文由七章组成，除了本章对课题研究的背景、国内外 发展现状、目的、价值、技术难点的讨论外，第二章研究并设计了混合励磁悬浮 系统的磁铁本体，并在磁场计算的基础上，确定了磁铁的结构尺寸和相关工艺参 数，并对实际制作的磁铁进行了性能测试。第三章则对混合励磁悬浮系统的原理 进行了分析，建立了相关数学模型。第四章从控制策略出发，研究了能够使悬浮 体稳定悬浮的控制方法及控制器的设计，在计算机仿真验证的基础上，完成了控 制器实际电路的搭建和调试。第五章介绍混合励磁悬浮系统不可缺少的功率放大 器的构成原理及结构设计，设计并制作完成了工作性能达到系统要求的全桥型开 关功率放大电路。第六章则对整个系统试验平台的各部分装置进行了介绍，给出 了调试步骤及相关试验结果。最后一章对整个研究工作进行总结，并对今后的工 作进行了展望。 9 上海丈学硕士学位论文 第二章混合励磁悬浮系统的磁铁本体设计 2 1 混合励磁磁铁的结构研究 混合励磁悬浮系统采用永久磁铁产生的磁场取代单纯使用电磁线圈通电产 生的部分静态偏置磁场，具有降低功率放大器的功耗，减少电磁铁线圈的安匝数， 减小电磁悬浮系统的体积等优点，研究永磁偏置的混合励磁悬浮系统是磁悬浮系 统的重要研究方向之一。 2 1 1 两种混合励磁悬浮系统磁铁结构的提出m t ”“捌 目前国际，国内对应用于磁悬浮系统的混合励磁磁铁投入了较多的研究，不 少学者提出了可应用于磁悬浮列车，磁悬浮轴承，磁悬浮电机的混合励磁磁铁结 构，并进行了相应的磁路分析和磁场计算，也有成功应用于具体磁悬浮系统的实 例，下面是几种较为典型的混合励磁磁铁的结构。 图( 2 一1 ) 所示的一种典型混合励磁磁铁采用“u ”形结构，永磁铁内嵌安 装在“u ”形结构的中央，两个电磁线圈分别嵌套在两端，串联后由功率放大电 路提供驱动电流，驱动电压和电流的参考方向如图中标注。由永磁铁提供磁悬浮 系统的偏置磁场，控制磁场由两个串联的电磁线圈通过驱动电流后产生。 q 一隧毳豸缓豹n 一- i ：一1 i ；i i r 寸一 ， ) ( ：( t ) ( )( ( 匹三三三刍悬浮体 图2 - 1 典型的混合励磁磁铁结构1 上海大学硕士学位论文 该混合励磁磁铁的优点是结构简单，便于磁路分析，磁场计算和系统数学模 型的推导，同时两套电磁线圈采用串联连接，仅需要一组功率放大电路驱动，便 于控制。缺点在于永磁铁磁钢需要内嵌安装到“u ”形结构的中央，给加工带来 一定的困难，两套线圈串联后系统电感较大。 图( 2 2 ) 为另外一种典型的混合励磁磁铁结构“”，磁铁采用“e ”形结构， 永磁铁磁钢桔结在“e ”形结构中央端的下部，两个电磁线圈分别嵌套在“e ”形 结构的两端，整个磁路的主磁通流向如图中所示，两组电磁线圈分别有两套功率 放大电路提供驱动电流，线圈两端所施加的电压和所流过的电流如图中所示。 该混合励磁磁铁的永磁铁采用粘结方式固定，加工比较简单，但是由于永磁 材料多为脆性材料，需要给暴露在外部的永磁铁添加防撞机构，以防止悬浮体由 于悬浮失败被吸附而与永磁铁碰撞。两组电磁线圈可以分别控制其驱动电流的 图2 - 2 典型的混合励磁磁铁的结构2 大小，当悬浮体发生倾斜时，可以单独调整一侧的磁场强度，使悬浮体快速恢复 气隙均匀的稳定悬浮状态，有利于提高系统的悬浮稳定性。但是由于两组电磁线 圈都需要各自的功率放大电路，控制器，电流传感器，同时要给悬浮体至少安装 两个位移传感器以检测其是否倾斜，所以增加了整个系统实现的复杂度和成本， 系统的体积也相应增大。 上海大学硕士学位论文 2 1 2 实际采用的混合励磁磁铁结构的提出 本文通过对多种混合励磁磁铁结构的分析，在归纳其优缺点的基础上，提出 了具有较强工程实用性的混合励磁磁铁结构如图( 2 3 ) 所示，该结构应用于单 电磁铁磁悬浮系统具有结构简单，磁路分析和磁场计算较为简便，加工容易，便 于控制等特点，既有效减少了电磁铁线圈的匝数，降低了系统电感，提高了系统 的响应速度，同时永磁铁磁通的利用率较高，大大减小了悬浮系统的磁铁体积， 从根本上降低了系统的功耗和成本。 图中所示混合励磁磁铁结构由“e ”形硅钢片叠压而成，永磁铁使用稀土永 磁材料钕铁硼制成，永磁铁产生的磁场用作悬浮系统的偏置磁场，电磁铁线圈通 以驱动电流后产生的磁场作为悬浮系统的控制磁场，用于调节维持系统的稳定悬 浮，系统磁路如图中所示，悬浮体上表面距离磁铁磁极的距离为悬浮系统的气隙 混合励磁 磁铁 匪三三兰三芑悬浮体 图2 - 3 单电磁铁混合励磁结构示意图 宽度，系统稳定悬浮时悬浮体所处的位置称为参考位置。 2 1 3 混合励磁磁铁的工作原理 在确定的参考位置下，由于悬浮体所受的重力一定，悬浮系统的磁场对悬浮 体的磁吸力也就相应确定，当悬浮体受到来自外界的扰动力时( 由于本文研究的 是单自由度悬浮系统，因此假定该扰动力作用在竖直方向上) ，悬浮体会偏离参 考位置，此时位移传感器检测出悬浮体偏离其偏离参考位置的位移量，控制器将 1 2 上海大学硕士学位论文 这一位移信号转变成控制信号，功率放大电路又将此控制信号变换成控制驱动电 流，这个电流经过悬浮系统的电磁线圈使铁芯内产生电磁磁通纯，织与永磁磁 通叠加后形成悬浮系统的主磁路磁通，叠加磁场对悬浮体的磁吸力将会消除 扰动力的影响，使得悬浮体恢复到参考位置并稳定悬浮。 在单自由度磁悬浮系统的实际设计过程中，用于产生磁吸力平衡悬浮体重力 的偏置磁场并非全部由永磁铁产生，原因基于以下两点： $由于永磁铁产生的磁场本身难以控制，如果偏置磁场全部由永磁铁提供，系 统磁场的可控范围较小； 0 如果偏置磁场全部由永磁铁提供，当悬浮体所受到的外界扰动力作用时间较 短，作用力较小时，电磁铁线圈中的驱动电流需要从零变化到一个较小的值并且 维持较短的时间，这样就要求控制器的p 删控制信号的占空比从零增加到一个较 小的值，实现起来比较困难，同时由于功率放大电路具有一定的延迟，所以容易 造成系统的失调从而导致悬浮失败。 基于上述主要原因，在实际设计过程中，电磁线圈中的驱动电流t 由用于克 服悬浮体重力的偏置电流岛和控制电流组成，且满足式( 2 1 ) 。 = f 0 + ( 2 1 ) 偏置电流f o 产生的磁场妒。和永磁铁磁场仍叠加后提供克服悬浮体重力的偏 置磁场，控制电流产生的控制磁场纯用于消除悬浮体所受到的扰动力的作 用，保证悬浮体能够快速恢复到参考位置。 在本文提出的混合励磁电磁铁结构的实际设计中，电磁铁采用电流叠加型， 即偏置电流乇和控制电流共用一个电磁线圈，因此电磁线圈中的可控驱动电流 仅为，只是为了原理说明和分析的方便将其分解为f 0 和t 。 2 2 永磁材料参数的确定 2 3 , 2 4 1 对于永磁材料，当永磁铁的磁极截面积和长度一定时口一日曲线一定。 上海大学硕士学位论文 = 髟& = 羔 ( 2 2 ) 上式中砟是永磁铁提供的工作磁通，髟是永磁铁的工作点磁感应强度，皿是 永磁铁的矫顽力，匕分别是永磁铁的截面积和长度，r 是永磁铁的内磁阻， r 是外磁路的磁阻。当选用钕铁硼永磁材料时其退磁曲线近似直线，民可以认 为是定值。 民：盟 、 b r s 。 ( 2 3 ) 本文中磁悬浮系统永磁铁材料选用稀土永磁采用钕铁硼( n d f e b ) 基于 以下原因： 钕铁硼的最大磁能积( 肘) 一比铝镍钴永磁材料大4 8 倍以上，剩磁磁密毋很 接近，矫顽磁力皿大1 5 1 8 倍，使得永磁体长度乞缩短很多。永磁矫顽力致加 强，不致因反向磁势使永磁退磁，或因机构冲击而影响磁性能，使永磁机构性能 稳定，特别适用与磁悬浮系统； 钕铁硼的磁化曲线基本上是线性的，便于磁路分析和计算，有助于缩短混合励 磁电磁铁的设计周期。 罡是永磁体的剩磁，当外磁路参数和永磁材料选定后，可以获得外磁路的磁 阻r 和工作磁通，永磁材料的耳和以，通过式( 2 2 ) ，( 2 3 ) 可以求得永磁铁 磁极截面积最和长度乞之间的关系： & = 盎 汜a ， 根据式( 2 4 ) 和结构要求可以确定s ，l 然后由磁路的实际情况对结果进行修正： rs = d s 弋 l ：丘 ( 2 5 ) 式中，为磁阻系数，取值范围为1 1 1 5 ；盯为漏磁系数，取值范围为2 8 。 1 4 上海大学硕士学位论文 2 3 磁路分析与计算1 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 本文所研究的单自由度混合励磁悬浮系统的磁铁结构最终确定如图( 2 - 5 ) 所示： 图2 - 5 单自由度混合励磁悬浮系统的磁铁结构 图中所示混合励磁磁铁的结构参数如下：电磁铁线圈的匝数为，线圈两端 施加的电压为“o ) ，线圈中通过的驱动电流为f ( f ) ，电压电流的参考方向如图中 标注；由稀土永磁材料钕铁硼制成的永磁铁的剩余磁感应强度为e ，矫顽力为 以，长度为。，极性如图中标注；倒“e ”形结构采用硅钢片叠压而成，结构 1 两端铁芯的截面积是嵌套电磁线圈的中央端铁芯截面积的一半，为亡瓯，即永磁 上 铁磁极面积和电磁线圈铁芯截面积均为最，悬浮体和混合励磁磁铁之间的气隙 宽度为y ( 哈，悬浮体的质量为m ，重力加速度为g 。 图( 2 - 5 ) 所示混合励磁磁铁结构满足如下假设： ( 1 ) 磁路中铁磁材料的磁导率无穷大，磁势均匀地分布在气隙和永磁铁上； ( 2 ) 忽略电磁线圈和永磁铁的漏磁通； ( 3 ) 假定悬浮体作用面的刚度系数无穷大，不考虑悬浮体本身的弹性振动和动 上海大学硕士学位论文 态形变，其受力仅为竖直方向上的磁吸力，重力和外界扰动力； 基于上述假设条件，图( 2 5 ) 中所示混合励磁磁铁结构的磁路模型如图( 2 6 ) 所示，图中墨，马为混合励磁磁铁倒“e ”形结构两端的极处气隙磁阻，兄为倒 “e ”形结构中央端永磁铁磁极的气隙磁阻，民为永磁铁的内磁阻。 即耻嚣。鬲2 y ( t ) ( 2 6 ) 足；2 盟 ( 2 7 ) o 晶 r = 篱= 去= 去 汜s ， 式中，y ( f ) 为悬浮体和磁铁之间的气隙长度，胁为真空的磁导率，最为永 磁铁的磁极面积，。为永磁铁的磁体长度，皿是永磁铁的矫顽力，耳为永磁铁 的剩磁，= 鲁，为永磁铁的磁导率。 图2 - 6混合励磁磁铁的等效磁路模型 由图( 2 6 ) 所示的等效磁路模型，可计算得到外磁路的磁阻。 尺：鱼生+ 兄；一2 y ( t ) 置+ 马 鳓晶 ( 2 9 ) 1 6 上海大学硕士学位论文 根据磁路的克希荷夫定律：f = o 和妒= o ，可求出磁路的总磁通 矿c y ，。= 兰笔篱 。， 其中，永磁铁产生的磁通为： 口：堡垒墼( 2 1 1 ) 砟。2y(t)+lpu, 。乙 电磁铁产生的磁通为： 亿= 丽, u 雨o & n 万i ( 2 1 2 ) 由于倒“e ”结构两端对称，因此流过结构两端的磁通纸= 伤= 去9 ( y ，f ) ，且 结构两端的铁芯截面积为中央端永磁磁极面积的一半，为圭最，所以整个磁路的 气隙磁密处处相等。 曰：竺盟：k t o ( n i + h c l e )( 2 1 3 ) s 。2 y ( t ) + l b l l ， 在假定二维磁场均匀分布的条件下，根据虚位移法得到磁吸力计算式为： f ：一o w ：盟墨竺竺：d ( 1 b h s x ) ：! 栅：丛汜 0 x咖o x2 2 鳓 其中，为虚外力功，x 为气隙长度上的虚位移，b 为气隙磁密，h 为气隙 磁场强度，v = s x 为体积元，s 为磁通经过气隙的有效面积。 图( 2 5 ) 中所示混合励磁磁铁结构的气隙磁密如前所述处处相等，所以 s = 咒+ 圭2 = 2 最 ( 2 1 5 ) 则在t 时刻，混合励磁磁铁的叠加磁场对悬浮体的磁吸力为： 删，= 塞碱r 嘉】2 泣 由式( 2 1 6 ) 可以看出，混合励磁磁铁的叠加磁场对悬浮体的磁吸力与电磁 线圈电流，悬浮气隙的平方关系与纯电磁悬浮模型不同，由于永磁铁的加入，磁 吸力不与电流的平方成正比，也不与气隙的平方成反比。 1 7 上海大学硕士学位论文 基于2 1 3 所述原因，在本文所研究的混合励磁磁铁中，永磁铁产生的磁场 提供部分偏置磁场，即永磁铁产生的磁场对悬浮体的磁吸力仅平衡其重力的一部 分。 c = | m g ( 2 1 7 ) 其中，c 为永磁铁产生的磁场对悬浮体的磁吸力，后为比例系数，f l o a = 0 ，1 ，0 ；9 0 8 6 0 3 2 ，0 ，- 3 1 0 6 5 ；0 ，2 9 2 7 3 0 8 ，一1 6 1 5 3 8 5 ； b = 0 ；0 ；7 6 9 2 3l 】； q 爿1 ，0 ，0 ；0 ，1 ，0 ；0 ，0 ，9 9 0 0 0 0 ； r - 1 】； k = l q r ( a , b ，q ，r ) k = 1 o 科旬0 5 5 8 2 2 6- 0 1 9 3 10 0 0 9 9 最优控制u ( t ) kx ( t ) 确定 ( 4 2 7 ) 根据状态变量工( f ) = ，缈f 】7 ，反馈阵k ，在m a t l a b ，s i m u l i n k 下建立 仿真模型，图( 4 6 ) 所示，其中k 1 ，k 2 ，k 3 为反馈阵系数。 、li副 ：8 站o ”七撕 。上嚣i ， o 岛一k o 一m o 10lj 3 o o 蛇67 _。l = 上海大学硕士学位论文 g 旧 c h “t _ ； 图4 6 线性二次最优控制器仿真模型 得平衡点为2 0 m m 气隙下设计的线性二次最优控制器系统阶跃响应波形见 of f z f l m 气隙下线性二次最忧控制器阶跃响应仿真 图4 70 0 2 0 m 气隙下线性二次最优控制器阶跃响应仿真 由图可见，按照上述方法设计的二次型最优控制器同样使系统在阶跃响应下 达到了稳定工作的要求。 上海大学硕士学位论文 4 3 基于鲁棒控制思想的模糊自适应p i d 控制器的研究 4 3 1 模糊控制理论简介“川 模糊数学理论，是一种研究和处理模糊现象的新型数学方法。这一方法，是 由美国自动控制专家查德( ( l a z a d e h ) 于1 9 6 5 年首次提出来的。4 0 多年来， 模糊数学方法在自然科学和社会科学研究的各个领域得到了广泛应用。逻辑是研 究人们思维形式和思维规律的科学。由于思维本身具有模糊性的特点，因此在研 究复杂的大系统( 如航天系统、生态系统、人脑系统、社会经济系统等) 的过程 中，有必要应用模糊数学理论将二值逻辑推广为多值逻辑即模糊逻辑。而模糊逻 辑在控制领域中的应用称为模糊控制。模糊控制的特点就是，它将操作者或专家 的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去对系统实 现控制，模糊控制尤其适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。 模糊控制是建立在人工经验基础上的。模糊控制语言是一种表示人类思维活 动以及复杂事物极其有效程度的手段，因此，对于那些利用传统控制方法难以实 现或奏效的控制问题，采用模糊控制技术往往能迎刃而解。模糊控制在最近的短 短2 u 年来迅速发展，这主要归结于模糊控制相对于传统控制技术所具有无需知 道被控对象的数学模型、易于对不确定系统或非线性系统进行控制、对被控对象 的参数变化有较强的鲁棒性、对外界的干扰有较强的抑制能力等特点，具体可归 纳为以下几点： ( 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控系 统的控制经验为依据而设计的控制器，因此，无需知道被控系统的数学模型。 ( 2 ) 是一种反映入类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类思维中的模糊 量，如“高”、“中”、“低”、“大”