旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)的建模與控制.pdf

1、磁懸浮技術(shù)由于其運(yùn)作無(wú)機(jī)械接觸的優(yōu)勢(shì)，具有噪音小、易維護(hù)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、特種電機(jī)、機(jī)器人、金屬加工等很多場(chǎng)合得到了應(yīng)用。
　　本文提出了一種新型的磁懸浮方案--旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)，采用電動(dòng)式磁懸浮原理，通過(guò)在盤(pán)式感應(yīng)電機(jī)初級(jí)繞組中通入交變電流，在懸浮氣隙中產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，與其在軌道導(dǎo)體板中感應(yīng)出的渦流相互作用產(chǎn)生懸浮力和水平力。這一磁懸浮方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)固有穩(wěn)定的靜止磁懸浮和運(yùn)行導(dǎo)向，有較為

2、廣闊的應(yīng)用范圍。為能夠準(zhǔn)確分析這一全新的磁懸浮系統(tǒng)的性能、設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)合理的懸浮控制策略，本文提出了一整套分析方法。
　　首先，利用電磁場(chǎng)理論分析系統(tǒng)內(nèi)部的電磁關(guān)系，為系統(tǒng)建模和確定控制方法提供依據(jù)。針對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)的環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高計(jì)算精度，建立了系統(tǒng)的分環(huán)模型，對(duì)每環(huán)按照該環(huán)參數(shù)平均值求解，并沿鐵心周向展開(kāi)為矩形結(jié)構(gòu)，便于使用二維電磁場(chǎng)分析。
　　基于截面上的二維電磁場(chǎng)解析法分析了系統(tǒng)中橫向端

3、部效應(yīng)對(duì)電磁場(chǎng)分布和系統(tǒng)磁場(chǎng)儲(chǔ)能的影響，得到了等效氣隙長(zhǎng)度表達(dá)式和系統(tǒng)特性的動(dòng)態(tài)橫向端部效應(yīng)修正系數(shù)。
　　建立了系統(tǒng)的多層行波磁場(chǎng)模型，應(yīng)用Maxwell電磁場(chǎng)方程進(jìn)行了系統(tǒng)的電磁場(chǎng)分布求解，利用表面阻抗分析得到了較為簡(jiǎn)潔的電磁場(chǎng)分布表達(dá)式，采用有限元方法進(jìn)行了時(shí)步有限元計(jì)算驗(yàn)證電磁場(chǎng)分布結(jié)果，并根據(jù)坡印亭定理得到儲(chǔ)能的解析表達(dá)式，作為分析系統(tǒng)運(yùn)行性能和控制參數(shù)的依據(jù)。
　　其次，研究了系統(tǒng)的主要特性及其與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。

4、根據(jù)磁場(chǎng)分布和儲(chǔ)能，利用麥克斯韋張量定理和虛位移法，求得了系統(tǒng)的懸浮力、轉(zhuǎn)矩、側(cè)向推力、復(fù)原力和次級(jí)損耗等特性，以及這些特性與系統(tǒng)電流激勵(lì)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。搭建特性試驗(yàn)臺(tái)，分別對(duì)樣機(jī)采用力特性測(cè)定試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)驗(yàn)證了力和損耗特性的結(jié)果。
　　根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，研究了在系統(tǒng)次級(jí)采用不同的結(jié)構(gòu)、材料和尺寸時(shí)的系統(tǒng)特性，為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　根據(jù)懸浮力和次級(jí)損耗之間存在的固定關(guān)系以及系統(tǒng)的總能耗情

5、況，提出了系統(tǒng)的一項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用這一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析了不同工作狀況下系統(tǒng)能夠輸出的最大懸浮力。
　　從電磁場(chǎng)波動(dòng)性質(zhì)的角度解釋了初級(jí)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度與電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)的懸浮力之間的關(guān)系，通過(guò)水平方向的波矢量和角速度的等效將這一結(jié)論推廣到大多數(shù)電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)，解釋了系統(tǒng)初級(jí)極距對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生磁懸浮的能力的影響。
　　利用磁場(chǎng)分析求得的系統(tǒng)磁場(chǎng)儲(chǔ)能表達(dá)式解得系統(tǒng)的等效電路，以氣隙長(zhǎng)度作為變量，利用等效電路參數(shù)通過(guò)坐標(biāo)變換得到了兩相同步

6、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的系統(tǒng)變氣隙狀態(tài)方程，用于系統(tǒng)的懸浮力解耦控制，對(duì)樣機(jī)采用空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)驗(yàn)證了等效電路參數(shù)。
　　利用系統(tǒng)的狀態(tài)方程，采用次級(jí)磁場(chǎng)定向策略，將懸浮力和次級(jí)磁鏈解耦，將懸浮高度作為主要控制對(duì)象，加入損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于次級(jí)磁場(chǎng)定向控制，懸浮高度和次級(jí)磁鏈雙閉環(huán)的矢量懸浮控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮控制。采用Matlab/Simulink仿真軟件驗(yàn)證了懸浮控制策略。
　　最后，設(shè)計(jì)制作旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸