（控制科学与工程专业论文）磁悬浮电梯导轨磁力控制系统研究.pdf

武汉理工大学硕+ 学位论文 摘要 磁悬浮电梯是磁悬浮技术应用到电梯控制的新型电梯技术。利用直线电机 定子与转子之间的相互电磁作用力，让轿厢在垂直方向的电磁导轨上运行。磁 悬浮电梯控制系统中的关键技术难点之一便是对轿厢定位后根据轿厢相对位移 大小，调节定子线圈中电流大小使轿厢受力平衡。本文以磁悬浮电梯为研究对 象，对磁悬浮电梯轿厢受力进行分析，以及对系统硬件和软件进行设计。 本文首先介绍了磁悬浮电梯工作原理，以及磁悬浮电梯电磁导轨定子与转 子结构，在建立磁悬浮电梯轿厢受力模型的基础上，根据电磁学和力学计算公 式推导轿厢受力计算公式，分析电磁导轨对电梯轿厢在平衡位置作用力平衡性， 并对水平方向分力和垂直方向位移受到扰动时分析轿厢平衡性，得到磁悬浮电 梯在运行过程中定子线圈电流的控制规律。 结合磁悬浮电梯实际参数计算选用直线电机参数，并对磁悬浮电梯模型直 线电机定子与转子位置做出改进，新的方案减小了直线电机定子线圈电流或者 线圈匝数。此外对磁悬浮电梯轿厢定位测速以及定子与转子间隙测量传感器进 行选型，并给出了测量方案。 在上述模型以及数据检测方案基础上，设计合理的磁悬浮电梯控制系统硬 件平台。包括对双d s p + c p l d 接口电路、位移检测和定子线圈电流检测电路、 i p m 模块及其驱动电路、s c i 通讯和c a n 通讯电路等。此硬件平台直接从传统 的智能电梯控制系统硬件平台上升级，该传统电梯控制系统硬件平台 d s p + c p l d 的构架已申请专利，已投入市场运行，实际证明十分稳定可靠。 在软件设计上，为了保证对数据检测和系统其他功能模块的实时性，移植 入p , c o s i i 操作系统，该实时多任务系统在工业应用的较为广泛。分析该嵌入 式系统较传统前后台系统的优势并结合磁悬浮电梯控制系统表明移植该系统是 可行的也是必要的。较为详细介绍了i a c o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 移植过程，对移 植过程中容易出错的文件重点分析。最后完成磁悬浮电梯控制系统中各个任务 管理程序结构和流程，包括i t c o s i i 系统初始化程序流程、处理器初始化程序、 多任务系统各个功能模块程序流程。 关键字：磁悬浮电梯，电磁力控制，位移检测，双d s p + c p l d ，p , c o s i i 武汉理工人学硕七学位论文 a b s t r a c t m a g l e ve l e v a t o ri s an e we l e v a t o r t e c h n o l o g yw h i c hm a g n e t i c l e v i t a t i o n t e c h n o l o g ya p p l i e dt o f o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c eb e t w e e nt h es t a t o ra n dr o t o ri n l i n e a rm o t o r , t h ec a rc a nr u n o nt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a i l si nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n h o w e v e r , o n eo ft h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m si nm a g l e ve l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mi s p o s i t i o n i n gr e l a t i v ed i s p l a c e m e n to ft h ec a r , a n da d j u s t i n gt h ec u r r e n to ft h e s t a t o rc o i l t ob a l a n c et h ec a ei nt h i sp a p e r , t a k i n gt h ep r o b l e ma sas t a r t i n gp o i n t ，t h ea u t h o r e x p l o r ef e a s i b i l i t yo ft h em a g n e t i cl e v i t a t i o n r a i lc o n t r o ls y s t e mi nt h em a g l e v e l e v a t o r , a n dd e s i g nt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ep l a t f o r m t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm a g l e ve l e v a t o r sa n d m a g l e ve l e v a t o rg u i d er a i ls t a t o r sa n dr o t o r ss t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt om e c h a n i c sa n d e l e c t r o m a g n e t i s m ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r dap h y s i c a lm o d e lo fm a g l e ve l e v a t o r sb a s e d o nw h i c ht h ea u t h o ra n a l y s i sb a l a n c eo ff o r c et h a tm a g l e ve l e v a t o rg u i d er a i la c t i n g o nt h ec a r ，a n ds t u d i e db a l a n c eo ft h ef o r c ew h e nt h ed i s p l a c e m e n to c c u r r e do nt h e h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n ，f i n a l l yt h ea u t h o rg i v et h er e g u l a ro fc o n t r o l l i n gt h e e l e c t r i cc u r r e n ti nt h es t a t o rw h e ne l e v a t o rr u n c a l c u l a t ep a r a m e t e ro fl i n e a rm o t o ru s e di nm a g l e ve l e v a t o ra c c o r d i n gt ot h e p a r a m e t e ro fm a g l e ve l e v a t o r , a n di m p r o v et h ep o s i t i o no fs t a t o ra n dr o t o ri n t h e m o d e lo ft h em a g l e ve l e v a t o rt or e d u c et h ec u r r e n to fs t a t o rc o i lo rc o i lt u r n so nt h e l i n e a rm o t o r i na d d i t i o n ，c h o o s et h es e n s o ro fl o c a t i n gt h ec a l a n dm e a s u r i n gt h e d i s t a n c eo fs t a t o ra n dr o t o la n dg i v et h em e a s u r ep r o g r a m b a s eo nt h em o d e la n dt h em e a s u r ep r o g r a m ，t h ea u t h o rd e s i g n a r e a s o n a b l eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rm a g l e ve l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gi n t e r f a c e c i r c u i t so fd o u b l ed s p + c p l d ，d i s p l a c e m e n td e t e c t i o na n dt h es t a t o rc o i lc u r r e n t s e n s i n gc i r c u i t ，i p mm o d u l ea n di t sd r i v e rc i r c u i t ，s c ic o m m u n i c a t i o na n dc a n c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h i sh a r d w a r ep l a t f o r mu p g r a d ef r o mt h et r a d i t i o n a l i n t e l l i g e n te l e v a t o rc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r md i r e c t l y , w h i c hh a s b e e na p p l i e d f o rap a t e n tb e c a u s eo fd s p + c p l df r a m e w o r ka n dh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o no f t h em a r k e tt ob ep r o v e nv e r ys t a b l ea n dr e l i a b l e f o rs o f t w a r ed e s i g n ，i no r d e rt oe n s u r et h ed a t aa n ds y s t e mc o u l db et e s ti n n 武汉理r 大学硕七学位论文 r e a l t i m e b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g eo f pc o s - i io p e r a t i n gs y s t e mc o m p a r i n gt ot h e f o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e m ，t h ea u t h o rp o r tt h ef lc o s i io p e r a t i n gs y s t e mi n t o d s p , a n di t sf e a s i b l ea n dn e c e s s a r y t h e nt h ea u t h o ri n t r o d u c et h ep r o c e s so fp o r t i n g c o s - i io p e r a t i n gs y s t e mi n t ot m s 3 2 0 f 2 8 12 ，a n dt a l ka b o u tt h ef i l ew h i c he a s i l y b em i s t a k e n f i n a l l yt h ea u t h o rc o m p l e t e dt a s km a n a g e m e n tp r o g r a ms t r u c t u r ea n d p r o c e s s e si nm a g l e ve l e v a t o r c o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h e c o s - i is y s t e m i n i t i a l i z a t i o np r o c e s s ，t h ep r o c e s s o ri n i t i a l i z a t i o np r o c e s sa n dm u l t i t a s kf u n c t i o n m o d u l e so ft h ep r o g r a mf l o ws y s t e m k e y w o r d s ：m a g l e ve l e v a t o r , e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ec o n t r o l ，d i s p l a c e m e n t d e t e c t i o n ，d o u b l ed s p + c p l d ，c o s i i i i i 独创性声明 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及 取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： ；整趋日期：型聋兰b ! ! 口 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学 位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： ；整垫导师( 签名) ：呈匕互壅2 日期丝鱼龟姐? l 口 武汉理r 1 ：人学硕十学位论文 1 1 新型电梯发展现状 第1 章绪论 电梯是高层商店、高层住宅、高层宾馆、多层厂房等高层建筑不可缺少的 垂直方向的交通运输工具【l 】。随着社会的发展，建筑规模的越来越大，楼层也越 来越高，所以对电梯的安全、速度、舒适等静态和动态特性提出了更高的要求。 自1 9 世纪末美国奥迪斯公司制造了世界上第一台由电动机作为牵引力的电 梯，到世界最高建筑迪拜塔所用世界最快的电梯，在这短短的一百多年的时间 里，电梯经历了高速的发展并且技术已经非常完善了，但是人们生活品质提高 的同时对电梯要求也越来越高，未来电梯必定朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 环保。随着工业的发展，人们越柬越意识到生存与发展的关系，可持续 发展已经成为各个国家的基本国策，电梯也不例外，绿色理念也是电梯的发展 趋势【2 ) 。发展趋势主要如下t 不断改进产品的设计、生产环保的型低噪声、低耗 能、无电磁干扰、无井道油渍污染的电梯。 我国是世界上人口最多的国家，也是一个能耗大国，总能耗排在全世界第 二，但是人均占有资源不及世界平均水平的4 0 。我国建筑的能耗占到了全社 会能耗的3 0 ，而且我国很多地方在用点高峰期都出现电荒的情况，若我们再 没意识到节能问题的重要性的话，继续出现浪费能源的现象，那么我们天天喊 的可持续发展只不过是个空口号了。与国内想比，西方发达国家早就意识到这 个问题，并且早在三十年前便开始着手建筑节能的政策，例如法国从1 9 7 4 年开 始用法律的明确规定居民建筑的节能指标，从1 9 7 4 年的2 5 ，到1 9 8 2 年和1 9 8 9 年的4 5 和6 0 ，这些措施成效显著，虽然法图从1 9 7 4 年开始建筑面积增长了 不少，但是建筑能耗几乎没增长。如果说我们国家在以前是因为发展需要过度 消耗后代的能源，那么如今国家现在已经得到了长足的发展，这个时候如果还 不给后代子孙着想的话，将来定会落得后代唾骂1 3 i 。 ( 2 ) 节能。对于一部电梯来 兑，电梯运营时所耗电能的费用要远远高于购买 电梯的费用，尤其是对于每天运行十几个小时的商用电梯，这类电梯耗能占到 整个建筑耗能的近1 0 。如何减少电梯的能耗是个非常值得探讨的话题，一方 面可以通过提高曳引机、电机驱动系统效率来节能，但是受到科技水平的制约， 而且提升的效率水平有限，另一种节能方式则是通过将电梯运行过程中损耗在 武汉理一1 ：人学硕十学位论文 耗能电阻中的电能回馈到电网，达到节能的目的。 ( 3 ) 高速。研究表明乘客焦虑程度与侯梯时间成正比，而减少侯梯时间，也 就是提高电梯运行效率，可以多梯并联群控来提高效率，文献【4 分析了国内外 研究人员将专家系统、模糊控制、人工神经网络等应用到电梯群控技术中，通 过实践证明这些技术的确减小了乘客平均侯梯时间，同时也节约了电能，但是 当乘载高峰期群控提高效率有限，要想充分发挥电梯群控的优势，只有将电梯 运行速度提上去。世界上运行速度最快的电梯是由奥迪斯公司设计制造，安装 在世界最高楼迪拜塔，最快速度可达6 4 k m h ，将近是列车速度的一半。 ( 4 ) 安全、舒适。在对电梯验收的时候最重要的一个指标便是安全。试想， 如果一个电梯除了安全问题，谁还敢去坐呢。目前电梯安全问题主要出现的大 多是停在半空不运行，极少有电梯失控的情况发生。此外，电梯的舒适度也是 评价一部电梯质量好坏的指标之一，尤其对于超高速电梯加速或者减速的时候 如果不平稳就会给乘客带来不适感。 1 2 磁悬浮技术研究现状及应用 随着现代工业发展的需求，对机械设备不仅运转速度要求越来越高，精度 也越来越高，尤其在不适合人工直接操作的恶劣环境下，例如高温、高压、航 空航天等领域，由于对设备维护困难，所以要求比普通机械设备要高的多，尤 其是安全性和长期可靠性。在这种情况下，磁悬浮系统的优势充分体现出来了 【5 7 】。 磁悬浮系统拥有许多传统机械系统所不具有的优点： ( 1 ) 可以达到较高的转速或运行速度。由于不存在摩擦，磁悬浮平台可以达 到普通机械系统无法达到的高速，气体的阻力基本可以忽略不计的情况下，理 论上讲，磁悬浮系统的速度只受到材料的限制。 ( 2 ) 功耗损耗小。普通机械系统由于摩擦刁i 仅损耗很多机械能在摩擦上，而 且很多能量由热能散发出去，而磁悬浮系统不存在这个问题。 ( 3 ) 由于磁悬浮系统依靠磁场力悬浮转子，没有由磨损带来的寿命问题。电 子元器件的可靠性大大高于机械零部件，所以磁悬浮系统机械部分的寿命和可 靠性均大大高于传统机械系统。 ( 4 ) 无需润滑。在某些特殊环境中，磁悬浮系统是传统机械系统无法替代的。 2 武汉理t 人学硕士学位论文 ( 5 ) 能适应高温、低温等极端的运行环境。 ( 6 ) 可控性。随着现代自动控制技术的发展，对本质是不稳定的磁悬浮系统 不仅可控，还可以达到相当高的精度。 虽然磁悬浮系统有许多传统纯机械动力系统无法比拟的优点，但是磁悬浮 系统一般都过于复杂，除了和传统动力系统一样需要一定的机械部分，还包括 了电子硬件电路和软件部分，这导致磁悬浮系统设计需要涉及到电磁学、电子 学、控制理论、机械学、传感器等多个学科交叉，难度自然是传统机械动力系 统大的多【引。 文献 9 】分别从单自由度、多自由度永磁偏置磁悬浮轴承结构进行分析，讨 论了磁悬浮轴承功率放大器的特点和要求并根据实际需求设计开关功率放大 器，在硬件的基础上，提出了采用嵌入式实时操作系统来实现控制的软件构架。 文献【1 0 】根据电磁学的基本原理，从单自由度的磁悬浮磁力轴承简化模型推导出 其悬浮磁力承载公式，在此基础上建立五自由度磁悬浮轴承控制模型。根据实 际需求，设计相应的硬件平台。 经过多年的发展，磁悬浮轴承技术已较为成熟。1 9 7 0 年磁悬浮轴承便已经 应用到卫星姿态控制系统中，利用磁悬浮轴承，卫星可实现多功能运行，控制 的精度也比传统轴承高的多，比如1 9 8 6 年法国发射的卫星分辨率就可达到1 0 米，现在的卫星系统精度更高，此外，无接触摩擦也可延长卫星的使用寿命。 美国、日本、英国也一直致力与磁悬浮轴承技术的研究i l 。 国内对磁悬浮轴承的研究起步较晚，而且主要研究成果集中在高校中。哈 尔滨工业大学优化了磁悬浮轴承结构设计，并实现了五自由度全悬浮控制。西 安交通大学润滑理论及轴承研究所于8 0 年代初期丌始磁悬浮轴承研究。对磁悬 浮轴承物理模型的降阶及非线性改善作了理论探讨，实现了五自由度悬浮。并 于九十年代研制出差动电感式位传感器，并设计了数字控制设计。清华大学工 程物理系也于1 9 9 4 年实现了模拟控制器的血自由悬浮，1 9 9 7 年采用数字控制器 实现了五自由度稳定悬浮，在高速内圆磨电主轴上的应用作了初步的探索f 1 2 1 。武 汉理工大学在湖北省自然科学基金资助下进行了“高速磁力轴承的试验研究”， 并于1 9 9 3 年通过省科委鉴定，其性能处于国内领先水平。 目前对磁悬浮系统应用研究较多的是对磁悬浮列车的研究。磁悬浮列车系 统根据悬浮方式可以分为两种：一种常导吸力型，以德国技术最为先进，它是 利用常规电磁铁与电磁导轨上的电磁线圈相互之间的引力来实现物体悬浮。由 经典电磁理论知识可知，仅在常规电磁场中的电磁铁不可能具有稳定的平衡状 武汉理工大学硕士学位论文 态，要实现列车悬浮，必须进行闭环自动控制。自动控制系统采集列车与轨道 的数据，根据一定的算法来调节线圈电流大小产生不同大小的电磁力，使得列 车与轨道之间的间距保持在可控的范围内，以保证列车稳定的朝着要求的轨迹 运动；另一种是超导斥力型，以同本技术最为先进，这种斥力型的超导悬浮是 自平衡的，由于超导体线圈产生的磁力比较大，悬浮间隙比常导的要大，同时 悬浮线圈电流大小由列车运动速度来决定，悬浮和导向无需反馈系统，但是超 导体必须在低温下工作，所以必须专门配置相应的低温制冷系统【l 3 1 。 由于磁悬浮本质是个不稳定的非线性系统，只有引入反馈控制系统才可以 实现稳定悬浮，尤其是讨论磁悬浮系统的动态特性时。最为普遍也最为简单的 反馈控制系统当然是经典p i d 控制器，通过测量物体与电磁铁之间的间隙信号， 调节线圈电流方向和大小参数【1 4 1 。例如，刘同娟、马向国1 1 5 】等人采用在线调节控 制参数的专家p i d 控制器，对整个混合磁悬浮系统进行仿真，并将专家p i d 控 制器与传统p i d 控制器比较，证明专家p i d 的优越性：专家p i d 控制器可以在 线跟踪控制系统的整个过程，及时实时的调整控制参数，使控制系统始终运行 在最佳状态。最后仿真结果表面，采用专家p i d 控制器，系统的响应速度明显 加快，超调量减小，性能得到很大提升。w a n g 【1 6 】根据e m s 磁悬浮列车系统并考 虑将磁：悬浮列车模型简化为由若干电磁铁组成的六自由度刚体模型，轨道梁采 用b e m o u u i e u l e r 梁模型，运用最优预见前视控制模型，以磁悬浮列车状念、电 磁铁线幽电流、磁间隙和车辆前方路面状态为反馈控制量建立磁悬浮列车耦合 振动方程并进行了仿真。并研究控制系统的实现与参数选择对控制系统性能的 影响，最后讨论了整个磁悬浮列车系统在轨面不平顺、风荷载等干扰作用下， 磁悬浮列车通过反馈系统调节整个系统的动力性能。 磁悬浮列车由于不存在摩擦，最高时速可超过5 0 0 k m s ，1 9 9 7 年4 月德国准 备建造的柏林与汉堡之问的磁悬浮专线由于预算超支以及德困民声反对的呼声 很高，不得不2 0 0 2 年2 月取消。2 0 0 0 年6 月，中国上海市与德国t r a n s r a p i d i n t e m a t i o n a l 公司合作并于同年1 2 月建设上海浦东龙阳路地铁站至浦东困际机场 高速磁浮交通示范线m 1 。2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，上海磁悬浮示范线j f 式开通运行。 日本也f1 9 9 7 年4 月建造了山梨试验专线。无论是哪条磁悬浮列车专线造价都 是一个天文数字，以上海浦东龙阳路地铁站至浦东国际机场高速磁浮交通示范 线为例，前期投资就超过1 2 0 亿元人民币，每年的维护费用也超过1 亿，甚至 有院士炮轰磁悬浮列车是“城市玩具 ，为了减少亏损，票价从开始的4 5 0 元 张降到现在的4 0 元张。 4 武汉理1 ：大学硕士学位论文 除了磁悬浮列车还有一些其他将磁悬浮技术应用到我们r 常生活中的产 品，如图1 1 和图1 2 分别为磁悬浮地球仪和磁悬浮鼠标，本文所研究的磁悬浮 电梯也是将融悬浮技术应用到电梯的产物。简单来说就是将磁悬浮列车竖起柬 丌，但是与磁悬浮列车义有许多不同。目前只有东芝电梯公司2 0 0 8 年展出一部 磁悬浮电梯m l ，如图1 3 所示还没有进入商用。磁悬浮屯梯去除了传统电梯的 曳引机、钢丝导轨、配重、导向轮等复杂的机械设备。电梯轿厢外装有永磁铁， 在垂直方向运行的时候，通过与电磁导轨卜的电磁线嘲相互作用力，使得轿厢 与导轨零接触。由于不存在摩擦力，电梯减去了摩擦所产，e 的能量损耗在运 行的时候非常安静、舒适，并且理论上可以达到传统电梯无法企及的高速，此 外，由于轿厢与导轨没有接触不存在润滑剂，所以也没有润滑剂带来的污染， 可以说磁悬浮电梯是集高速、环保、节能、低噪于一体的智能电梯。但是磁悬 浮电梯与传统电梯相比，晟大的问题凸显在安全问题上，山于没有缆绳等机械 设备的保障，如果没有相关安牟保护措旖，一旦出现断电，后粜将不堪设想。 虽然日前磁悬浮技术还没有得1 0 广泛的应用，但是随着磁悬浮技术的坯渐的成 熟，相信未来磁悬浮一定会有广阔的前景。 图l 一1 磁悬浮地球仪图l 一2 碰悬浮鼠标 图1 3 东芝磁悬浮电梯 武汉理下大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究对象为磁悬浮电梯导轨电磁力控制系统，是磁悬浮电梯控制 系统的一部分，拟先建立磁悬浮电梯物理模型，对磁悬浮电梯轿厢所受电磁力 下轿厢平衡性进行分析，在得出电磁力与定子线圈中电流控制规律后，对直线 电机进行选型，设计相应的总体方案，最后设计硬件平台和软件平台。主要工 作安排如下： ( 1 ) 磁悬浮电梯轿厢受力模型分析。在单自由度磁悬浮系统的基础上，分别 从电流控制型和电压控制型两种方式分析磁悬浮系统不稳定性的本质。由电磁 力计算公式推导磁悬浮电梯轿厢受力计算公式，对轿厢受力的平衡性进行分析， 并对水平方向和垂直方向上存在位移干扰下轿厢受力平衡进行分析。 ( 2 ) 磁悬浮电梯导轨磁力控制系统总体设计。在磁悬浮电梯轿厢受力模型的 基础上给出磁悬浮电梯导轨磁力控制系统的总体方案。其中重点对直线电机参 数选型以及轿厢定位测速和间隙测量方案进行介绍。 ( 3 ) 磁悬浮电梯导轨磁力控制系统硬件设计。硬件平台采用双d s p + c p l d 的 构架，根据磁悬浮电梯系统的需求，设计定子线圈电流检测电路、位移检测电 路、口m 模块及其驱动电路、串口通讯和c a n 总线通讯电路。 ( 4 ) 基于c o s i i 的系统软件设计。在硬件平台基础上，为了保证系统的实 时性，对主d s p 移植c o s i i 系统，完成c o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 移植，以 及c o s i i 系统下对磁悬浮电梯控制系统的任务管理。 6 武汉理1 = 人学硕十学位论文 第2 章磁悬浮电梯轿厢受力模型分析 2 1 单自由度磁悬浮系统受力分析 本节介绍单自由度磁悬浮系统。单自由度磁悬浮系统相对来说比较简单， 有利于定性分析，从而为后文磁悬浮电梯轿厢受力分析提供理论依据。 图2 1 为对一转子实现单自由度、无接触悬浮的示意图。当转子由于外晃扰 动偏离平衡位置，要保持系统稳定必须调节电磁铁线圈中电流大小【1 9 】。 电磁铁 图2 1 单自由度磁悬浮系统 整个系统由信号采集，调节控制单元和执行单元三大部分构成。它们分别 负责对信号采集和处理，对系统控制，线圈电流输出功能。 对磁悬浮系统电磁力的控制方式主要有电流控制方式和电压控制方式。 2 1 1 电流控制型磁悬浮系统 在建立电流控制型磁悬浮系统模型之前，首先要假设励磁线圈中的电感受 电流干扰很小，w o o d s o n 在1 9 6 8 年研究励磁线圈中电感符合图2 2 所示的曲线 1 2 0 - 2 1 1 。 其中 厶 t o ( 2 1 ) 7 互 武汉理一r 大学硕十学位论文 “驴厶+ 彘 ( 2 - 2 ) 厶、厶、a 通过实验可以测得，为常数。 其中l ( c o ) 为线圈等效电感值，假设其符合图2 - 2 所示理论曲线。 图2 2 电感特性曲线 根据电磁场能量公式f 2 2 】得 w ( 1 ，力= 去，2 l ( c o ) 将公式( 2 2 ) 代i x ( 2 3 ) 中，并取偏导得电磁力表达式 ，r ：里：一刍! ： j 瞩 2 a ( 1 + g ) z 口 假设转子重力方向为正方向，当转子受力平衡时有 m g = - f = 2 州l + 。i 耳2 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 从上式可以看出，对于转子与定子间隙g 一旦确定，对应的线圈电流亦为 一确定值。将式( 2 5 ) 整理得线圈电流表达式 ，：( 1 + c o ) 口 将式( 2 4 ) 在转子平衡位置处泰勒展开，并略去离阶项得： f ( a i , a c ) ：巾，c o ) + 墨掣蚺巡掣r o c 伪 ( 2 - 6 ) 武汉理f 大学硕十学位论文 = 一三鬲i 0 1 2 + 三：丽l o l 2 c 一再l o i 茁 ( 2 - 7 ) 由所雎= m g + f ( a z ，缸) 可得 聊雠2 丽l o l 2 虮石l o 写l 岔2 口2 ( 1 + 二旦) 3口( 1 + 二旦) 2 此外，由式( 2 - 7 ) 口 得 型塑2 ：。 i j 1 2 将( 2 9 ) 代人式( 2 8 ) 得到 雎一二l c + 堡f ：o a + c o i 对上式作拉氏变换得 s 2 s)一瓦29ac( a c ( s ) + 孥( s ) = 0 1 s 2 s ) 一_ 了s ) + 等( s ) = 口+ l 。 即可得系统开环传递函数： g ( j ) 2 丽a c ( s ) 2 e i - l 2 9 a + c o s = ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 其中有一个开环极点位于复平面的右半平面，根据乃奎斯特判据，该系统 是不稳定的。 2 1 2 电压控制型磁悬浮系统 上节电流控制型模型建立在电流信号与电感值完全没有延迟基础上，与实 际的情况有较大的差别，电压控制型单自由度磁悬浮系统能更精确描述磁悬浮 9 武汉理 ：人学硕十学位论文 系统【2 3 1 。 由磁路分析法可知磁感应强度b 计算公式为 拈仍网n 其中， 觞为铁介质在真空磁导率，为一常数p o = 4 n x l o v s ( a m ) ； 为磁场强度； 为线圈匝数； j 为线圈电流； 从为铁芯相对磁导率； ，为铁芯磁路长度； c 0 为定子与转子气隙高度。 对磁化忽略，则式( 2 1 4 ) 可化简为 肛等 气隙中的所储存的磁场能量应为 呒= 去皖乩圪= 皖也以c o 其中，以为磁场强度； 以为相应铁芯与气隙截面积； 磁场力应当等于磁场能量对气隙c 0 的偏导， 视为常数，于是得到 厂= 筹训小警 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 当c o 变化很小时，吃和以可 ( 2 1 7 ) 又由式( 2 1 5 ) 可得电磁力 厂= i p o n 2 a l 1 亨2 ( 2 一1 8 ) 由上式可知，电磁力和同通过线圈的电流平方成正比，和磁极与转子表面 间的间隙的平方成反比。考虑外界存在干扰的情况下系统的受力平衡条件可得： l o 武汉理j r 大学硕十学位论文 聊掣= 孵叫和) 圳，) ( 2 - 1 9 ) 共甲，c 为转于与甩坛饫z 1 日j 酮| 日j 隙跑禺，【l ，c ) 为f e l 憾刀大，j 、，厶i t j 力 外部扰动。 由电磁感应定律可得线圈电压表达式为： “( r ) 划( ，) + 掣划( r ) + t o e l ( i , c ) i ( t ) ( 2 - 2 。) 其中l ( i ，c ) 为线圈瞬时电感，由电感计算公式可得： c ) = 箭2 等 ( 2 - 2 t ) 将( 2 21 ) 代入式( 2 2 0 ) 得到 比脚心) + 等沁) 一掣) ( 2 - 2 2 ) 对( 2 15 ) 电磁力在平衡位置泰勒展丌，并忽略高阶项，可得 巾c ) _ 厂( 鸲) + l a 。2 a g n 2 i i 【f _ 矿警( c - c o ) ( 2 - 2 3 ) 令警呐，警= 屯 将式( 2 2 1 ) 与式( 2 2 2 ) 代入式( 2 1 9 ) 并整理可得： 舢= m g - f ( 1 ，c ，o ) - k 、, ( t j ：) 卜c o ) + 石) ( 2 - 2 4 ) = 一k i ( i 一，) + 七2 ( c c o ) + 厶( f ) k l lx 4 ( ( 2 2 2 ) 町得 叫沪比一心) = r a i + i t 。a 口n 2 “一警雠 ( 2 - 2 5 ) 令筹= 岛 对式r 2 2 4 、与式r 2 2 5 ) - f f f 拉氏蛮换，可得 武汉理f 人学硕十学位论文 s 2 m c ( s ) = - k a a z ( s ) + k 2 a c ( s ) 血( s ) = r f ( s ) + 屯越( s ) 一向s 缸( s ) 由上两式整理可得 g ( s ) = 硒a c ( s ) = 两丽陌k i 习丽 !j一 脚也s 3 + 尺船2 + ( 毛2 - k 2 k ，) s 一砍 显然有k 。2 一k 2 k j = 0 ，由劳斯判掘可得 ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 由式( 2 - 2 8 ) 可知电压控制型比电流控制型高一阶，但是由于一胜： ：f 厂( 血) 曲线图。其中所选参数为 = 2 r a m ，y c = 2 0 0 m m ，f 雎= i o o a ，三条曲线分别为y n = 5 0 r a m ，1 0 0 m m ，1 5 0 m m 时的曲线，其中y 。为垂直方向永磁铁与上定子之间的距离。从图中可以看出在 y 。= 1 0 0 m m 时，即永磁铁与上下两定子距离相等时，只要保持定子线圈电流相 等，水平方向的扰动对水平方向分力的合力罗f 完全没有影响，随着y 。的偏离 l o o m m ，水平方向分力的合力 ：，开始不平衡，但是变化极小，从途中可以看 出，y n = 5 0 r a m 或者只= 1 5 0 r a m 时，水平方向位移扰动最大时。f 力的大小 也不超过1 0 n ，完全可以忽略不计。 图2 - 6 不同以下轿厢水平方向合力 1 6 赫一v 武汉理1 j 人学硕十学位论文 ( 2 ) 垂直方向存在干扰时磁悬浮电梯轿厢受力分析 磁悬浮电梯轿厢在垂直方向受到干扰，产生位移少，其垂直方向受力简图 如图2 7 。 。， j、幅：既 ：j 2 1r m g 图2 7 轿厢垂直方向受力简图 其中厶为f j k 垂直方向的分力，馏为轿厢重力。 厶。：厶s 鲰：粤s 2 a ( 1 + 堑) 2 令垂直方向向下为正方向，则有 ：生一 jj 2 ai l i 2 j iyn 弩 f j 2 w = z l ：o7 l 亏2y 。一y 。+ 缈 ，+ 匝霉 2 一 j = 4 ，k = 2 e f ”= 厶。 一 “ j = 1 女= l ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 图2 - 8 为垂直方向永磁铁作用轿厢合力f = 厂( 只) 曲线，其中所选参数 为x c = 2 m m ，y c = 2 0 0 m m ，i j k = i o o a o 1 7 磊，一 。 ，m 施滋 图2 8 垂直方向存在扰动时轿厢垂直方向合力 由图2 8 可知 ：，为一类凹抛物曲线，从图中可以看出) ，。在临界点 y 。= o m m 和y 。= 2 0 0 r a m 时， ：，。迅速达到峰值，这段位移可以忽略不计；当 y l ，”单调递减，1 8 0 y 。 ：p 单调递增，而2 0 ：f ”受扰很小。 由以上的分析可以得出轿厢在运行在不同位置时对线圈电流的控制规律： 轿厢在垂直方向运行时，处在平衡位置时，线圈电流最大，偏离平衡位置不是 很大的时候，保持电流不变就可以使轿厢平衡，当平衡位置偏离较大时，偏离 距离愈大，垂直方向分力 ! f 。会剧增，此时要保证轿厢平衡，必须减小线圈电 流使相应的电磁作用力减小，并且应该调常起主要作用的定子线圈电流。具体 来说：见 2 0 时，随着y 。减小，要减小“从而减小c 。，1 8 0 咒 2 0 0 时，随 着y 。增大，要减小i ，从而减小f ，可以使合力与轿厢重力趋近平衡。 2 3 本章小结 本章根据力学、电磁学的基础知识，分别从电流控制型和电压控制型两种 控制方式分析单自由度磁悬浮系统。在此肇础之上设计一种可控磁悬浮电梯模 型，根据电磁力计算公式，推导磁悬浮电梯在平衡点以及偏离平衡点轿厢受力 计算公式，最后借助m a t l a b 软件画出轿厢受力与位移扰动关系曲线，并埘结果 进行了详细的分析，得出磁悬浮电梯在运行过程中对电磁导轨定子线圈电流的 控制规律。从电梯称重模块以及检测模块得到电梯状念信息后，便叮确定定子 线圈电流大小。在线圈电流大小恒定的情况下，电磁导轨上的永磁铁对轿厢上 的定子作用力的水平方向位移受到干扰时，水平方向分力扰动很小，可以忽略； 武汉理r 大学硕士学位论文 、 垂直方向位移产生扰动时，距离平衡位置不远的情况下，垂直方向分力受干扰 很小，只有偏离平衡位置较远，即永磁铁靠近定予的时候对垂直方向作用分力 扰动才比较大，并且这个扰动是有规律的。根据这个规律，在对磁悬浮电梯实 际控制的时候，采用适当的控制策略，实时调节各定子线圈电流大小，即可以 使轿厢受力达到平衡。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章磁悬浮电梯导轨磁力控制系统总体设计 3 1 磁悬浮电梯系统的组成框图 本章重点讨论磁悬浮电梯导轨磁力控制系统总体设计，磁悬浮电梯总体控 制系统框架结构图如图3 - 1 所示。 图3 1 磁悬浮电梯总体框图 整个磁悬浮电梯控制系统分为主控制器、呼梯控制器、轿厢控制器、称重 系统、监控系统、应急保护电路、检测模块、直线电机驱动模块1 2 7 1 。其中呼梯控 制器、轿厢控制器、称重、监控系统与传统电梯一样。 呼梯控制器是安装在每一层电梯厅门外的呼叫装置，用于乘客发送呼叫请 求信息，并显示电梯当前运行方向、所处楼层、电梯是否超载、电梯是否故障 等情况；轿厢控制器也是电梯与乘客交互的一部分，与呼梯控制器不同的是， 轿厢控制器安装在电梯轿厢里面，其显示部分与呼梯控制器一样，呼叫部分为 乘客要去的楼层，此外，还有开门按键、关门按键、轿厢照明灯按键、有无司 机按键等，根据不同客户要求，有的轿厢控制器还有语音报站功能等；称重系 统比较好理解，就是采集电梯轿厢加上乘客的实时重量，采集到轿厢重量后称 2 0 武汉理工大学硕十学位论文 重系统将信息发送到轿厢控制器，轿厢控制器再通过通讯将信息转发到主控制 器【2 8 l 。监控系统是根据某些电梯客户需求而设计的，用来实时监控电梯的运行状 态，这里所说的监控系统指的不是用摄像头拍摄电梯出入人员的系统，而是上 位机通过r s 4 8 5 总线通讯实时显示电梯运行状态信息，甚至紧急情况通过上位 机可以控制电梯运行。 与传统电梯控制系统不同的是，磁悬浮电梯控制系统还有直线电机驱动模 块与检测模块。直线电机驱动模块根据主控的要求控制电磁导轨上定子线圈电 流方向和大小。检测模块主要检测电梯运行时轿厢垂直方向位置、水平方向与 电磁导轨之间的间隙距离以及电梯速度等信息。 应急保护装置独立于控制电路，在应急情况下作用，可以起到减缓轿厢速 度的作用，保障安全f 2 9 1 。应急保护装置由紧急刹车片、钢缆和减震弹簧组成。 当出现断电或者失灵故障，紧急刹车片与井道壁充分接触，利用摩擦使轿厢减 速，同时正常运行状念f 不起作用的钢缆拉住轿厢使轿厢停车，当轿厢在平层 区还未停车，减震弹簧可以保证轿厢停车。 3 2 磁悬浮电梯用直线电机 目前用于无接触系统的电机应用最为广泛的是直线电机。本节主要介绍直 线电机工作原理以及按照不同的标准直线电机分为几种。根据磁悬浮电梯系统 特点选用合适的直线电机，并结合第2 章磁悬浮电梯轿厢受力分析，计算直线 电机的参数，对电磁导轨定子和转子的安放做出改进。 3 2 1 直线电机原理以及分类 传统的电梯所采用的曳引机大都为感应电机，这种电机整体传动效率很低， 曳引机必须整体安装，还需要安装配套的减速箱，噪声办很大。逐渐已被性能 优越的永磁同步电动机替代。传统电梯便是通过曳引机拉动缆绳来调节电梯速 度和方向，磁悬浮电梯没有缆绳、配重等装置，自然这种驱动方式的电机不适 合用于磁：悬浮电梯系统f 3 0 j 。磁悬浮电梯这种定子与转子非接触式的采用直线电机 作为驱动电机再适合不过。与传统电机相比较，直线电机在运行过程中，没有 机械接触，故机械损耗很小，并且由于没有摩擦，不会出现由于高速运行发热 的情况，也无需润滑剂；直线电机直接产生直线运动，可靠性也大大提高”0 1 。然 2 l 武汉理f ：人学硕十学位论文 而