（电机与电器专业论文）电磁悬浮系统控制策略研究及系统悬浮实现.pdf

海人学坝l 。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 i q u ei 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 1 1 1t h ea i rs t a b l yb yu s i n ge l e c t r o m 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 e s u b j e c t w h i c h i n t e g r a t e s al o to f r e s e a r c hf i e l d ss u c ha sm a t e r i a l k n o w l e d g e ， e k c t r o m a g n e t l 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 sa n d c o m p u t e rs c i e n c e i t p o s s e s s e sh i g ht e c l m i q u ea n dh a sab r i g h ta p p l i c a t i o nf u t a r e t h e e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o ns y s t e mi st h ep l a t f o r mf o r t h er e s e a r c h o ft h em a g n e t i c l e v i t a t i o nt e c h n i q u ef i n d i n gt h em e t h o do fm a k i n gt h eo b j e c ts u s p e n di nt h ea i rn o to n l y c o n t r i b u t e st ot h er e s e a r c ho ft h em a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c l m o l o g yb u ta l s ob r i n g st h e r e f e r e n c ev a l u et ot h ec o n t r o ld e s i g no f o t h e ru n s t a b l es y s t e m s t h et h e m eo ft h ed i s s e r t a t i o ni st od os o n l er e s e a r c ha i m i n ga tm a k i n gt h eo b j e c t s u s p e n ds t a b l yi nt h ea i r i nt h ea s p e c to ft h e o r y , t i l em a t h e m a t i cm o d e lo ft h eo b j e c ti s e s t a b l i s h e da n dt h ed u a lc l o s e dl o o pc o n t r 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 t t h ec o u t r 0 1s t r a t e g i e sb a s e do nt h ec l a s s i e a ic o n t r o it k e o r ya n dm o d e mc o n t r o it h e o r ya r e d 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 gc o n t r o l l e ra r e a l s oa n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h es t r u c t u r eo ft h ep o w e ra m p l i f i e rs a t i s f y i n gt h es p e c i a l n e e do f t h es y s t e m i ss t u d i e da n dd e s i g n e d a t l a s t ，o n t h er e s u l t s o f t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ， as e to fp u r e a n a l o gc o n t r o l c i r c u i ti sb u i l tu pt h r o u g hu n c e a s i n gt e s ta n dc i r c u i t i n l 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 hm o d u l ei sa c h i e v e da n da f t e r r e p e a t e d l yd e b u g s ，p a r a m e t e rr e v i s e s ，t h es t a b l es u s p e n s i o no f t h ee l e c t r o m a g n e t i cs y s t e mi s f i n a l l yr e a l i z 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 s ，s h o w st h ep i c t u r eo f t h es u s p e n d e do b j e c ta n de x p e c t st h ef u r t h e rr e s e a r c ha sw e l l k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cs t t s p e n s i o n ，d u a lc l o s e dl o o pc o n t r o l ，c o n t r o l l e r p o w e ra m p l i f i e r 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。参与同工作的其他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。 签名：纽日期：坦丝 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：杰魍师签名：j 妞日期 6 ，3 2 ，占 施人学坝i 学位论义 第一章绪论 1 1 磁悬浮技术简介及其发展应用现状 1 1 1 技术简介 使一个物体与其他物体脱离物理接触，克服重力悬浮起来，并进而实现无 接触、无摩擦的运输是人类长久以来的梦想。人们为此付出了不懈的努力，探 索各种各样的途径去实现自己的理想。例如通过空气动力学原理发明了汽艇、 飞机和气垫，但是它们不能脱离空气介质的支撑，因此只能称之为准悬浮。只 有不需要介质的悬浮才能称为真正意义上的悬浮，比如人造卫星和航天飞机。 而在地面上，依靠磁场力来克服重力的磁悬浮则是在工业和民用领域都能得到 广泛应用的真e 悬浮方法。 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。我们的祖先早在汉代就利用磁现象发明了指南针。1 9 世纪初，法拉 第建立了电磁学理论。1 9 1 1 年超导现象等一系列科学成果涌现。而到1 9 2 2 年 德国工程师赫尔曼肯佩尔首先提出了电磁悬浮原理，并于1 9 3 4 年申请了磁悬 浮列车的专利，至此标志着磁悬浮这一新兴科技丌始纳入人类的研究领域。 从本世纪六十年代开始，磁悬浮技术吸引着国内外众多学者对其进行研究 开发并将此技术应用在各个领域，这与它得天独厚的优点分不开的【1 】。 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。 | j = 人学顺l 学位论义 随着工农业的飞速发展和人类生活质量的不断提高，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，而对环境如噪声、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 发展应用现状 磁悬浮实现原理多种多样，具体应用上又各具特点，因此磁悬浮技术的种 类也很多。纵观当前的发展状况，可以将其归纳为两种主要类型【2 l ： 1 ，常导电磁悬浮 常导电磁悬浮采用由常规金属导线绕制而成的电磁铁作为工作磁体，将其 通以直流电流，产生磁场，从而对铁磁材料产生吸引力，当电磁力足以平衡磁 悬浮体的重力时，悬浮体即可被拉起而悬浮在空中。 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。为获得稳定的悬浮状态，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；与电磁铁相对的吸引物必须是导磁体； 可以实现静止悬浮。 2 超导电磁悬浮 超导电磁悬浮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n t 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f b - j 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。这种方法称为电动悬浮( e d s ) 。 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 海人学坝i ? 学位论义 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，只有达到一定速度才能实现 悬浮。 利用上述两种主要实现方案，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，德国选择了常导磁悬浮 方式而放弃了超导悬浮的研究4 1 ，日本则同时进行了常导和超导两个方向的研 究【5 j 【6 1 。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 【9 】 1 0 】平n 永磁方式1 的。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 电磁悬浮控制方法探讨 本课题研究的内容是基于常导电磁悬浮工作方式。根据1 1 2 中提到的电磁 悬浮系统的特点，需要设计能够稳定原来的不稳定对象，并具有良好控制指标 的系统。为此，许多学者探索了各种各具特点的控制方式。下面对典型的控制 方法作一简单介绍和探讨。 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 反馈量手口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、加速度及位霞误 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 然提高了稳奄精度，却会增加系统响应的超调量。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 忉，凋i 12 1 。 海人学硕| 。学位论立 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， 另一种为鲁棒控制思想的应用 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13 。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等o ”1 。另有将古典方法和现代 控制理论结合的分析与综合方式【i 。 2 鲁棒控制思想的应用 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。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、定量反馈控制方法以及h 。控制方法 等| ：3 6 】【3 9 。另外文献【2 0 睬用神经网络控制器来控制电磁悬浮系统，是一 种比较新颖的尝试，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。 1 3 电磁悬浮系统的设计性能要求 对于电磁：悬浮系统的设计与实现，主要有以下几方面的控制性能要求： 1 稳定性无论采用何种控制方式，首先要保证本质不稳定的电磁吸引系 4 海人学埘i 学位论义 统变成稳定悬浮系统。 2 静态指标稳态误差要小。通常电磁悬浮的气隙取得比较小，这样有利 于减小系统能耗。电磁悬浮的气隙一般在十几毫米以内 2 2 1 。在这样小的气隙中 悬浮，如果稳态误差过大，就有可能造成接触而使悬浮失败。 3 动态响应指标主要是超调量 1 3u l a j 应时间。当给定量变化时，悬浮位置 跟踪变化，超调量要尽量小，响应时间要短。当受至u # t - 界扰动时，恢复到稳态 的时间要短。 4 航扰动性能当受到外界扰动时，能回到稳定悬浮状态。 由于电磁悬浮系统气隙磁场的分布不均匀，导磁体的漏磁及其本身导磁特 性的非线性，再加上控制对象精确数学模型难以建立等一系列因素，使得对控 制系统的稳定性、控制精度、抗干扰以及对控制对象模型变化的适应能力等等 提出了很高的要求。要在这样条件的系统中全面实现可靠优良的控制效果是相 当不容易的，这也就是研究该课题所面临的困难和重点需要解决的问题。 1 4 课题研究目的和意义 2 0 0 2 年1 1 月2 2 日下午1 ：0 0 ，一辆磁悬浮列车驶人龙阳路车站，由德国制 造的磁悬浮列车第一次全程驶过了世界上首条商业运行的磁悬浮列车线上海 浦东机场至龙阳路，在为之自豪兴奋的同时，我们更应清楚的看到这成功背后 的核心技术仍牢牢掌握在外国人的手里。因此，要想大大降低建设成本，使该 技术本土化，并在未来可能派生的磁悬浮产业中占有一席之地，就更需我们国 人为之钻研和探索。我国对磁悬浮技术的研究起步较晚，但也有了一定的成就， 其中西南交通大学和国防科技大学分别建成了数十米的试验线路和悬浮试验 车，而清华大学、话安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大 学、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 发达国家相比仍有较大差距，因此为了缩短与一f 9 4 f 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 此项研究的目的和价值。 其实，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 街人学坝卜学位论文 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，以控制技术为主 要切入点，研究并设计使悬浮体达到稳定悬浮的一整套闭环控制系统，不仅对 电磁悬浮领域控制技术方面的进一步深入研究起到一定的作用，而且对于其他 不稳定系统的控制设计研究也具有一定的借鉴和参考价值。 1 5 本论文主要研究内容 本课题对电磁悬浮系统进行原理分析，数学建模，确立控制策略及进行计 算机仿真研究，在此基础上，构架了实验平台，设计制作完成了用于驱动电磁 铁工作的功率放大器电路及快速调节偏差量使系统稳定的控制器电路。较深入、 全面地阐述了电磁悬浮闭环控制系统各个环节的原理特性及设计方法，完成了 电路的措建及实验调试，进而成功实现了系统的稳定悬浮。 从论文布局上，本篇论文由六章组成，除了本章对课题研究的背景、目的、 意义以及国内外发展现状的讨论外，第二章将从控制对象入手，建立数学分析 模型，提出加入位置反馈及电流反馈的双闭环控制模型。第三章则主要从控制 策略出发，研究使悬浮体能够稳定悬浮的控制方法及控制器的设计，利用计算 机对其进行仿真验证，并用模拟电路实现控制器的搭建。第四章介绍电磁悬浮 系统不可缺少的功率放大器环节的构成原理及结构设计，并设计完成了工作性 能达到系统要求的功放电路。第五章则是整个系统的实验装置介绍，给出了调 试步骤及实验结果，最终实现了电磁悬浮系统的稳定悬浮。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。 海人学顺i 一学位论_ _ ：= 第二章电磁悬浮系统的分析与建模 本章基于电磁悬浮原理，对开环系统进行分析和数学建模，根据模型表达 式可得出系统是一个不稳定系统，因此需要对其进行闭环控制，由此提出位置 反馈及电流反馈控制思想，从而构建电磁悬浮双闭环控制系统模型。 2 1 系统原理分析 冈攀一 a = o ，1 ，0 ；1 6 3 33 3 3 ，0 ，一1 43 7 0 ；0 ，113 5 6 8 ，一2 4 7 1 0 b = o ；o ；6 4 5 2 ； q = 1 ，o ，0 ；0 ，1 ，0 ；0 ，0 ，9 9 0 0 0 0 ； r = 1 ； k = l q r ( a ，b ，q ，r ) k = 1 0 e + 0 0 5 + 22 7 6 10 0 5 6 1 0 0 l o o 最优控制“( f ) kx ( t ) 确定 根据状态变量x ( f ) = y 妙叮，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( 3 - 6 ) ，其中k 1 ，k 2 ，k 3 为反馈阵系数。 一口 h ；p k l ：霸u , 7 l t o 9 日 。1 0 d ”奇而忑石一1 图3 - 6 ( a ) 线性二次最优控制器仿真模型 3 2 图3 - 6 ( b 1 子系统( s u b s y s t e m ) 结构 得平衡点为1 2 r a m 气隙下设计的线性二次最优控制器系统阶跃响应波形 图( 3 - 7 ) 00 1 2 m 气障下线性二敬最优控制系统阶跃响应 图3 70 0 1 2 m 气隙下线性二次晶优控制系统阶跃响应曲线图 由图可见，按照上述方法设计的二次型鼹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。 海大学删i ：学位论文 3 4 控制器模拟电路实现 3 4 1 控制器方案结构确定 以上基于经典的和现代的控制理论设计的两种控制器，经计算机仿真验证， 都能达到一定的控制效果，以此作为依据，构建控制器的实际电路。3 3 节中设 计的线性二次型最优控制器是一种状态反馈控制，其反馈量分别为气隙位置 缈，气隙变换速度4 p 和电流变化一电流反馈即通过电流传感器构成内环控 制，气隙反馈可以通过气隙传感器获得，而气隙变换速度即是气隙反馈量的微 分，于是构成了p d 控制器，因此，两种控制器的设计方案在具体电路实现上 达成了一致。 本实验系统选用一系列电子元器件搭建了一个模拟p d 控制器，具有电路 实现简单，响应速度快等优点。 由于模拟电路物理实现及硬件调试的限制，理论上初步整定的p 、d 参数 值并不能够通过物理器件完全实现，需要结合电子元器件具体选型所定的参数 值在m a t l a b 上进一步仿真，两者相互结合进行微调，从而达到理论和实验的基 本致性。 图( 3 - 8 ) 是根据理论整定的结果，在其范围内进行微调，并结合实际电路 最后整定的系统阶跃响应波形图 00 1 2 m 气融下系挠阶跃嘀应 图3 80 0 1 2 m 气隙下最终整定系统阶跃响应曲线图 ，f ：海大学坝卜学位硷义 由图可看到控制器的殴计基本达到快速性稳定型及稳态精度的要求。 3 42 控制器电路实现 在p r o t e l 中构建模拟p d 控制器电路图( 3 - 9 ) 图3 - 9p d 控制器电路图 其中： 加法电路，用来对信号进行叠加，包括将传感器输出的位移信号转换电压 ( + ) 与参考电压( 一) 进行相加，获得实际的动态位移信号电压( 即偏差量) ； 另有将p d 调节器输出的信号电压进行相加，以获得实际推动功率放大器的输 出信号。 二阶滤波电路，主要是对前级输入的动态位移信号电压进行滤波，即对控 制器的带宽加以限制。 比例环节，采用同相比例放大电路，反馈电阻用一滑动变阻器，以达到参 数的可调，从而为系统提供稳定所需的增益。 微分环节，采用微分带受限环节的电路构成，原因是由于理想微分环节对 高频噪声信号的敏感性，从稳定的角度出发，实际应用的p d 调节电路均对微 分环节的带宽加以限制。同样采用一滑动变阻器，用来调节微分系数，最终使 系统达到稳定。 海大学埘j 学位论史 第四章电磁悬浮系统功率放大器的设计及实现 本章主要分析与介绍电磁悬浮闭环控制系统中功率放大器的研究和设计， 提出采用p w m 开关功率放大器，其主要由功率开关主电路、比较电路、隔离 驱动电路、电流检测电路和反馈校正电路组成。本章对各环节的没计思路和设 计方法都进行了详细的介绍。 4 1p w m 开关功率放大器的研究 功率放大器( 简称功放) 是电磁悬浮系统的一个重要组成部分，它的作用 是将控制器输出的电压信号转变为驱动电磁铁线圈的电压，形成控制电流，以 此来产生所需的电磁力。在磁悬浮系统中功放和电磁铁一起构成执行机构。功 放的性能对系统控制效果有显著的影响，它需具备快速良好的响应特性，才能 满足系统的要求。因此，设计一个满足我们系统特殊要求的功放成为了构建整 个系统的重要环节之一。 功放通常分为三种类型：线性功放、开关功放和混合功率放大器，它们具 有各自的特点，适用于不同甘勺场合。而开关功放又包括脉宽调制型( p w m ) 开关 功率放大器、采样一保持型功率放大器 3 0 1 、滞环比较型功率放大器、最小脉宽 型功率放大器【3 1 1 。考虑到能耗，散热，可靠性等要求，在本课题中我们运用脉 宽调制原理设计了一个p w m 开关功率放大器。 41 1 工作原理 脉宽调制( p w m ) 开关功放的工作原理如图( 4 1 ) 所示，对线圈电流进 行采样，转变成电压信号送至加法电路，和由控制电路得到的电压信号进行叠 加，所得电压经过增益补偿送至p w m 脉冲电路，从而改变脉冲的宽度，输出 脉冲再由驱动电路驱动放大，控制功率管的开关。 海人学坝i 学位论文 图4 1p w m 功放原理图 p w m 开关功放的特点是开关频率保持不变，通过改变控制功率管的开关 脉冲宽度即占空比来实现对电流的控制。 电磁铁线圈两端的电压波形如图( 4 - 2 ) 中的矩形波所示，线圈中的电流 波形如图中的粗线所示。在t 阶段，功率管的控制信号占空比大于5 0 ，在一 个周期内，电源对线圈充电的时间大于线圈放电时间，线圈中流过的电流增加； t 2 阶段，占空比等于5 0 ，电流保持恒定；t 3 阶段，占空比小于5 0 ，电流减 小。 卜上卜l 一卜上一 二一 _ _ 一 k 、及 7 412 性能指标 图4 - 2 线圈电流和电压波形 i )功放纹波 由于线圈两端的电压是在和一之间切换，因此会产生纹波，电流的纹 波会导致磁悬浮力的变化，从而引起悬浮体的振动。电流纹波的幅值大小与线 海人学坝t j 学位论殳 u 7 圈电感、电源电压和开关频率有关。电流纹波最大值m a x = 2 _ 弘j d ，f 为开关 频率，l 为线圈电感，u 。为电源电压。电流纹波和电源电压成正比，和开关频 率成反比，和线圈电感成反比。 2 ) 功放电流响应速度 功放的负载是感性负载，其动态特性和输入信号的幅值有关，用电流响应 速度来评价功放的特性。当电磁铁线圈两端的电压等于功放电源电压时，线圈 中的电流变化最快： 堕：坠二土墨! ( 4 1 ) 由( 4 1 ) 可以看出，由于线圈内阻很小，i o r 。项对电流变化的影响很小， 因此可以通过提高电源电压u 。和减小线圈电感来提高电流响应速度。在设计 电磁铁时就应该考虑采用尽量小的电感，当电磁铁设计好后，提高电流响应速 度只能通过提高功放电源电压玑来实现。 3 )控制力响应速度 评价磁悬浮系统的一个重要指标就是控制力的响应速度。电磁铁对悬浮体 的吸引力f 发生变化是由于线圈中电流z 的变化，根据式( 2 9 ) 有： m ) = 掣【等 2 ( 42 ) 定义力对时问的偏导等为控制力的响应速度，可得最大控制力响应速度 为：望= 堡一d i = _ n 2 a i o 坠二! ! 鱼 ( 4 3 ) 8 ta fd t 2 y 2 l 因为上：坐塑，则( 4 3 ) 式简化为： 望：生竖二生型 8 t y ( 4 4 ) 海_ 人学f 匝i 。学位论文 由式( 4 4 ) 可见，提高控制力的最大响应速度可以通过提高静态电流，。 减小气隙长度y 和提高电源电压u 。来实现。当气隙设定后，。、少都确定，只 有通过提高电源电压u 。来实现提高控制力的最大响应速度。 综上分析，可以看出，通过改变电源电压来实现改变电流纹波大小与提高 控制电流响应速度与控制力的响应速度之间是一对矛盾。增大乩可以提高控制 电流与控制力的向应速度，但同时会导致电流纹波的增加，所以在选择电源电 压值时，并不是越大越好，需综台考虑。 41 3 结构分析”2 一 圈l 三菇黼占土 瘴甜 图4 - 3 开关功放结构框图 开关功放主要由加法电路、比较电路、光耦隔离电路、驱动电路、功率开 关主电路、电流检测电路和反馈校正电路组成。加法电路完成控制器信号、偏 置电流信号和反馈信号的叠加运算；比较电路控制脉冲的翻转，对前一级运算 信号进行调制。这两个环节构成了驱动脉冲生成电路，是功放的控制部分，功 放的特征和性能往往由这部分决定。光耦隔离电路完成弱电脉冲到强电脉冲的 隔离： 作。驱动电路用以放大驱动脉冲的功率，这部分电路是影响功放效率的 重要因素。功率开关主电路完成大功率能量转换过程，是功放的主要增益环节。 电流检测电路用来测量电流反馈信号，反馈校正环节则对反馈支路进行校正， 海人学顺i 学位论文 改善系统的频率特性和带宽。 下面几节将分别对各主要环节进行分析及电路设计。 4 2 主电路分析与设计 4 2 1 结构设计 由第二章分析的系统物理模型可知，要达到悬浮效果，必须实时调节电磁 铁线圈中的电流的大小，使每一瞬间电磁力= m g + 兀，同时我们也看到， 系统的结构特性决定了电磁力c 方向始终保持固定向上，因此电磁铁线圈两端 通以的电流大小随反馈环节进行不断调节，而方向应是固定不变的。 传统的单相半桥驱动( 图4 4 ) 和单相全桥驱动( 图4 5 ) 电路由于实现电 流的双向流动，并不适合该电磁吸引力悬浮系统，故采用如图4 - 6 所示的h 桥 半控斩波器电路。 卜 j aj v t lv d i d 广v v 、 ：) 一 l j - - - - - - - - - - - j v t ，lv d 2 图4 - 4 单相半桥 j ivi v t 3 l l 。l 1 ，r 、r 一 tj f l i ”1 ； 一与j 图4 5 单相全桥 v d 3 v d 4 图4 - 6 半控桥式电路 图( 4 - 6 ) 中，电磁铁线圈作为功放的负载，场效应晶体管v t - 、v t z 同时 开通或关断。当v t ，、v t 2 开通时，线圈从功放电源吸收能量，电流增加，电 l ：海学顺i j 学位论义 流流向如图( 4 6 ) 实线所示：当v t l 、v t 2 截止，v d 】、v d 2 导通时，线圈中储 存的能量通过v d l 、v d 2 续流回馈，线圈电流减小，电流流向如图( 4 - 6 ) 中虚 线所示。因此线圈内的电流是单向流动， 由于两只二极管v d 、v d 2 组成的两个半桥臂是不可控的，只有另外两个 半桥臂的m o s f e t 开关v t l 和v t 2 可控，因此称这样电路为半控桥式电路。半 控桥式电路可以在两个象限工作，即负载电流单向流动，负载电压可以在正负 电源电压u d 之间变化。采用两个象限工作方式主要是为提高系统响应速度。如 果采用单象限工作方式，在p w m 工作周期的关断期间，电磁铁线圈端电压为 零，电磁铁通过线圈电阻消耗储能。而两象限电路在关断期间电磁铁线圈两端 接负电源电压，电路处于逆变状态，通过向电源回馈能量和电阻消耗能量共同 吸收储能，速度更快。 当电流连续时，电路输出电压平均值为： u o = 2 u d ( 口一o5 ) ( 45 ) 其中口是p w m 脉冲的占空比 是电源电压 u 是线圈端电压平均值 由于输出电压可以在2 u 。范围内调节，n 此动n g n 比单象限电路大一倍r 响应速度会相应提高。 4 22 工况分析眦3 主电路和电流波形如图4 7 、4 - 8 所示。v t l 、v t 2 同时通断，v d l 、v d 2 为快恢复续流二极管。设开关频率为f ，周期为t ，有f = l t ，结合图4 7 、4 - 8 分析主电路的工作情况如下： 嘻隅 t k 二、 l 图4 。7 功放主电路图4 - 8 主电路电流波形 1 0 t t 1 t = 0 时，i 0 = i o 【，v t l 和v t 2 关断，v d l 、v d 2 处于续流状态，u l = - - u d ，在 反向电压的作用下i o 按指数迅速下降，电压方程式为： r i o + l d i o 出= 一 ( 4 6 ) 目| ：d f o 以+ r 1 0 上+ l = 0 ( 4 7 ) 解此微分方程得： f o = u d ( p 一8 77 1 ) r + i o l p 一8 。7 ( 4 8 ) 当t = t 1 时，j o = 1 0 2 ，代入上式得： ，0 2 = u d ( 8 一 1 儿一1 ) r + o l e 一8 7 。 ( 49 ) 2 t l t t 此时v t l 和v t 2 导通，在电源电压作用下，i o 按指数规律增长，电压方程 式为： r l i o + l d i o d t = u d ( 4 1 0 ) 即：以o d t + r i o l u d l = 0 解此微分方程得： i 。= = u d ( 1 一e - r l ( r - t o l ) r l + 1 0 2 e 一8 7 1 7 ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) m 。 = ； j n 。 海人学倾l 学位论文 当t = t 时，i o = i o l ，代入上式得 ，o i = ( 1 一e - r l ( t q ) l l ) r + 0 2 e “1 m 联立求解式f 4 9 ) k n ( 413 ) n 7 - 得 ，。一u 尺d ，。- - r i t l - - 2 e - r ( t - t t ) l + 1 ( 1 - e - & r l ) ( 4 1 3 ) f 4 ，1 4 ) ，0 ：一u r d 。- - r l t i l _ 2 e - r l t t 1 + 1 ( e - r j l - 1 ) ( 41 5 ) 由上分析可知，不论功率器件工作在什么状态下，始终保持流过电磁铁线 圈的电流方向不变，大小按指数规律增长或下降，进而满足了电磁悬浮系统的 应用要求。 4 23 电路器件 在主电路中的主要器件就是功率管和续流二极管，随着电力电子技术的发 展，新型功率器件越来越多，如g t o 、m o s f e t 、i g b t 、m c t 等，并且出现 了集成了驱动、保护的功率器件，在选用时应该根据实际要求选择合适的器件。 本课题选用的是m o s f e t 管i r f p 4 5 0 ，为了减小二极管上的功耗，选用的二极 管是快恢复：二极管，其反向恢复时间h 为5 0 n s 。 4 3p w m 脉冲生成电路设计 电磁悬浮系统丌关功放的这一环节主要用来将模拟控制器输出的控制信号 转换为相应占空比的p w m 信号输出。其结构框图如图所示 犏越i 毡 拧书4 器 艟嚣号 器情号 图4 - 9p w m 脉冲生成电路框图 海人学碗l 学位论义 图中三角波发生器由一运放及外围电路组成，电流传感器反馈回来的电磁 铁线圈中的电流信号、控制器输出的控制信号及偏置电流调节的电压信号作加 法，然后输出到比较器，比较器将这两个信号进行比较，输出占空比变化的p w m 波到驱动器。 43 1 三角波发生电路 三角波电压是p w m 调制中的载波信号，其频率决定了功率开关管的开关 频率。不同形式的脉宽调制对三角波的要求是不一样的，有的要求三角波关于 时间轴对称，有的要求三角波是严格的等腰三角形，有的要求是近似的直角三 角形即锯齿波。 三角波的产生方法很多，可以采用硬件电路实现，也可以由软件实现。硬 件电路可以由运算放大器构成，也可以由恒流源构成，还可以采用能直接产生 三角波的专用集成电路芯片，如t l 4 9 4 。但用t l 4 9 4 芯片产生的三角波有一个 极大的缺陷，即三角波的幅度较小，只有3 v 左右。当线圈中的电流动态变化 时，控制信号和电流反馈信号经加法或减法运算后，其值很容易超过三角波的 幅值范围，这样线圈中的电流控制范围减小，系统的动态范围小，稳定性差， 且瞬时电流值可能很大，对功率管产生伤害。本系统采用运算放大器构成三角 波发生器 3 3 】，其线路图如图( 4 1 0 ) 所示。 图4 1 0 三角波发生电路图 所产生的三角波幅值：2 墨芋出，u ( 4 1 6 ) 臁川警，( r 8 8 + r m 心 ( 4 1 7 ) 可见，该电路产生的三角波，频率和幅度均可调，本实验选用的三角波的频率 为3 0 k h z ，幅值1 2 v 。 43 2 比较器电路 电压比较器电路用于将前一级运算信号与载波信号进行比较，从而形成p w m 脉冲，其电路设计结构如图( 4 1 1 ) 所示，在比较器a 的反相端加频率和幅值都 固定的三角波信号乩，而同相端加上叠加后的控制信号址，则比较器输出一个 与三角波同频率的脉冲信号。的脉宽能随以的变化而变化。 1 5 v i 图4 1 1 电压比较器电路 本系统中采用电压比较器集成芯片l m 3 3 9 ，l m 3 3 9 类似于增益不可调的运算 放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输 入端，用“r ”表示，另一个称为反相输入端，用“一”表示。用作比较两个电 压时任意一个输入端加一个固定电压做参考电压( 也称为门限电平，它可选 择l m 3 3 9 输入共模范围的任何一点) ，另一端加一个待比较的信号电压。当“+ ” 端电压高f “”端时，输出管截l e ，相当于输出端开路，输出高电平。当“一” 端电压高于“十 端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压 海人学坝i 。学位论义 差别大于1o m v 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 l m 3 3 9 用在弱信号检测等场合是比较理想的。l m 3 3 9 的输出端相当于一只不接集 电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻( 称为上 拉电阻，选3 - 1 5 k ) 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当 输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。 由于产生的三角波为双极性波形，则相应的p w m 信号既有正脉冲也有负脉 冲，即也为双极性。而本系统是用此信号驱动半桥电路时，因此在电路中用一 个二极管d 将负电压去掉，这样就可以得到单极性脉冲。 4 4 隔离驱动电路设计 441 光耦隔离电路 为了隔离强电和弱电，防止主电路干扰通过地线窜到控制电路，在设计功 放时加入隔离环节，本系统采用了光耦隔离，电路见图( 4 - 1 2 ) 所示。 r i v i 图4 一1 2 光耦隔离电路 其中，7 4 l s l 4 ：t t i 集电极开路六反相高压驱动器。6 n 1 3 7 ：光耦隔离器件 将控制弱信号与主电路强信号进行隔离 海人学坝l 学位论文 4 42 驱动电路 驱动电路实际就是功放中的p w m 生成电路与主电路的接口。由前级比较而 得的p w m 控制信号经光电隔离，输入给驱动电路，再由该电路完成大功率能量 的转换过程，控制电力电子功率管的开通和关断。其原理示意如图( 4 1 3 ) 所 示。 图4 1 3 电磁悬浮系统驱动电路示意 由于开关功率器件容量较大，因此，需要一定的驱动功率，而且，由于主 电路中干扰信号很强，对驱动电路抗干扰和隔离噪声的能力也有较高的要求。 传统的驱动电路多由分立元件搭接而成，这种类型的电路结构复杂而且可 靠性不高。随着集成电路技术的飞速发展，现在已有专用的驱动芯片，可靠性 得到了极大的提高，在工业领域得到了广泛的应用。 本系统驱动电路的没计采用i r 公司生产的2 单元驱动集成芯片i r 2 1 1 0 。 该j 笛片为1 4 引脚双列直插元件，是功率m o s f e t 和i g b t 专用驱动芯片，独有的 h v i c ( h i g hv o l t a g ei n t e r g r a t e dc i r c u i t ) 技术使得它可以直接驱动高达6 0 0 v 的高压 系统，该驱动电路只需一路驱动电源，且具有保护功能，克服了常规驱动电路 需要多路隔离电源的缺点。 l ：海人学坝1 学位论文 1 1 r 2 11 0 的特性及工作原理 美国i r 公司推出的i r 2 1 1 0 驱动芯片，比起日产的e x b 8 4 1 、e x b 8 5 0 和国 产的m 5 7 9 5 9 l 和c w k ，其最大的优势在于通过自举浮动电源，使得驱动电源 数目大大减小。对于典型的六管构成的三相桥式逆变器，采用三片i r 2 1 1 0 驱动 三个桥臂，仅需要一路1 0 2 0 v 电源。这样在工程上大大减少了控制变压器体 积和电源数目，降低了产品成本和减小了体积，提高了系统可靠性。 i r 2 1 1 0 典型应用电路3 如图( 4 一1 4 ) 所示，v c c 为1 0 2 0 v 功率管门极驱 动电源，由于v s s 可与c o m 连接，则v c c 与v d d 可共用同一个典型值为+ 1 5 v 的 电源。c 2 为白举电容，v c c 经v d o 、c 2 、负载、v t 2 给c 2 充电，以确保v t 2 关闭、 v t 开通时，v t l 管的栅极靠c 2 上足够的储能来驱动，从而实现自举式驱动。若 负载阻抗较大，c 2 经负载降压充电较慢，使得v t 2 关断、v t l 开通，c 2 上的电压 仍充电不到自举电压8 3 v 以上时，输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁， v t 就无法正常工作。因此使用1 r 2 11 0 所要注意的关犍点在于对于不同的驱动 对象采用不同的设计电路，是否能保证上管驱动外部的自举电容在每个周期内 能够正常充上电。 v 图4 1 4i i 2 1 1 0 典型电路 2 驱到je f ! 路设计。 根据电磁悬浮系统的驱动结构图( 4 - 1 3 ) ，利用i r 2 l l o 芯片，可以设计出 海人学砸= k 学位论史 不对称半桥驱动电路，如图( 4 - 1 5 ) 所示。 n 图4 一1 5i r 2 11 0 不对称半桥驱动电路 利用图4 一1 5 搭建的电路结构进行实验，发现电路无法正常工作，上管的驱 动脉冲一直是高电平。究其原因是由于v t 【，v t 2 同时开通或关断，故自举上 电回路必然经过负