（电工理论与新技术专业论文）基于直线电机测试平台的混合悬浮控制方法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a la cm o t o rd r i v e s ，s i n g l e s i d e dl i n e a r m o t o r ( s l i m ) 觞e l e c t r i c a ld r i v e sh a s t h ea d v a n t a g eo fl i t t l es e c t i o no fu n d e r g r o u n d t u n n e l ，s t r o n gc l i m b i n ga b i l i t y , l o wn o i s e , e t c ，b u tl o we f f i c i e n c ya n dl o wp o w e rf a c t o r , w h i c hi st h em o s tc o n c e r n i n gp r o b l e m s oi ti ss i g n i f i c a n ti nt e s to ft h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h r u s ta n dv e r t i c a lf o r c eo fl i m t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o do f m e a s u r i n gt h r u s ta n dv e r t i c a lf o r c eo fl i m b a s e do nm a g l e vp r i n c i p l e i ta p p l i e st h e p r i n c i p l eo fm a g l e vt of i xa i rg a pb e t w e e ni t sp r i m a r ya n ds e c o n d a r yc o i l i ti sk n o w n t h a tt h ea c c e l e r a t i o no fl i mc a nb em e a s u r e db yu s eo fp o s i t i o ns e n s o r si n s t a l l e do ni t ， a n dt h e nt h et h r u s tp e r f o r m a n c eo fl i mu n d e rd e c i d e da i rg a pc a nb eo b t a i n e d a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n to fe l e c t r o m a g n e tc o n t r o l l e dt h el i mt os u s p e n da n dt h ep r e s e t a i rg a p ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo fc o n t r o l l e de l e c t r o m a g n e tc a nb ec a l c u l a t e d a n d v e r t i c a lf o r c eo f m e a s u r e dl i mc a nb eo b t a i n e da f t e rg r a v i t yi sb e e ns u b t r a c t e d i nt h i sp a p e r , m a g l e vp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o di s s t u d i e d ；t h ep a r to ft h e m a g l e vi su s e dt h ew a yo fh y b r i de l e c t r o m a g n e ta n dp e r m a n e n tm a g n e t i s m ，a n dt h e d y n a m i cm o d e lo fh y b r i d l e v i t a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d a l s o ，t h ec o r r e s p o n d i n g l i n e a rm o d e lo ft h eh y b r i d - l e v i t a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot w om e t h o d l i n e a r i z a t i o n ，t h a ti s ，o n ei sb a s eo nt h eb a l a n c ep o i n t ，t h eo t h e ri sb a s e do nf e e d b a c k l i n e a r i z a t i o nm e t h o d i nv i e wo ff a c t sa b o v e ，t h ec o n t r o lm e t h o d sa r ep u tf o r w a r db a s e do nf e e d b a c k l i n e a r i z a t i o nm e t h o da n dp i dc o n t r o lm e t h o d t h ep a r a m e t e r sa r ea l s od i s c u s s e d a c c o r d i n gr o u t hc r i t e r i o n b a s e do nm a t l a b s i m u l i k e , t h es i m u l i n km o d e lo ft h e h y b r i d l e v i t a t i o ns y s t e mw a sd e r i v e di no r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o l m e t h o d s i na n o t h e rw a y , an e wc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do ns l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o la n df e e d b a c kl i n e 撕z a t i o nm e t h o d t h ee x i s t e n c ec o n d i t o no fs l i d e m o d ec o n t r o lw a sg i v e n b ys i m u l a t i o n , t h e v a l i d i t y o fc o n t r o l l e rf o rt h e h y b r i d l e v i t a t i o ns y s t e mi st e s t e d a f t e rt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o lm e t h o d sa r ep r o v e d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h es u s p e n ds y s t e mi sd e s i g n e d f i n a l l y , as e r i e so f e x p e r i m e n t a ls t u d ya r ed o n ea n d t h es t a b i l i t yi sc o n f i r m e d k e y w o r d s ：s i n g l e - s i d e dl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r , m a g l e v ；p i dc o n t r o l ；v s s c l a s s n o ：t m 3 5 9 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 日签字日期：年月日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通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。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师杨中平副教授的悉心指导下完成的，杨老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杨 老师对我的关心和指导。 杨老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向杨中平老师表示衷心的谢意。 郑琼林教授、游小杰教授、林飞教授、郝瑞祥博士后对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，俞斌，金鑫等同学对我的研究工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，对我的父母、家人及所有的亲人朋友表示感谢，他们的理解和支持使 我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 绪论 从18 4 0 年惠斯登( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直 线电机至今，直线电机的发展已经经历了1 6 0 多年的历史，并且在实际应用中具 有很多旋转电机不具备的优点。上世纪6 0 年代末、7 0 年代初至今将直线电机作为 列车的驱动装置得到了各国的高度重视，从事直线电机研究的队伍不断发展，直 线电机得到了前所未有的发展，并且在很多领域实现了产业化应用。相对于国外， 我国的直线电机研究从2 0 世纪7 0 年代初才开始。目前国内直线电机的研究机构 有浙江大学、西安交通大学、中国科学院电工所、上海大学、太原工业大学、焦 作矿业学院、清华大学、北京交通大学等，并且从1 9 8 2 年开始全国直线电机学术 会议定期召开，促进了我国直线电机的发展，我国在直线电机方面的应用也取得 了可喜的成果，直线电机在煤矿生产、驱动大型游乐设备、工业技术与装备业及 信息与自动化等方面的应用也取得了一些成果。 其中，直线电机轨道交通系统就是直线电机在产业化应用中一个成功的例子。 近1 0 余年来，由于交通运输的飞速发展，许多发达国家都在大力研究用直线电机 作为火车推进的动力，并与磁悬浮技术相结合，发展一种所谓的磁悬浮列车。此 类列车取消了车轮和车轴，具有高速、舒适、安全等许多突出优点，是解决现代 地面交通运输最有前途的一种方案。日本、德国、英国和加拿大等国家，都对其 进行了研究试验。其中有的已建立试验线路，最高运行速度达到5 8 1 k m h ，现在正 向实用化阶段过渡。我国也于1 9 9 1 年正式开始这方面的研究试验，并与德国合作 在上海龙阳路到浦东机场成功地建立了世界上第一条商业运营磁悬浮列车示范 线，2 0 0 3 年已正式商业运营【l 叫。其中，扁平形单边直线感应电机( s i n g l e - s i d e dl i n e a r i n d u c t i o nm o t o r ，s l i m ) 作为直线电机轨道交通系统中的牵引电机，得到了人们前 所未有的关注。 直线感应电机的基本结构如图1 1 所示。可以认为直线感应电机是旋转电机在 结构上的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周 展成直线，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线感应电机。由定子 演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级【w 】。 北京交通大学硕士学位论文 锻 图1 1 由旋转感应电机演化为l i m 过程 a ) 旋转感应电机b ) l i m f i g u r e l 1e v o l u t i o np r o c e s so f r o t a r yi n d u c t i o nm o t o rf o rl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 直线感应电机最基本工作原理如图1 2 所示。给直线电机的三相绕组中通入三 相对称正弦电流后，和旋转电机一样，它也会产生气隙磁场。不考虑由于铁芯两 端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的类似， 即可看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场按a 、 b 、c 相序沿直线移动。与旋转电机不同的是该磁场是平移的，称为行波磁场。行 波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为 k ( 朋s ) ，称为同步速度，且k = 2 f r 。 缄八，瓞孤一 髓l 鞑；。岁渺锄 周期 一。+ 。 次级 运动曩“弋7 i 磁电瀛 图1 2 l i m 工作原理图 f i g u r e l 2w o r k i n gd i a g r a mo f l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s l i m 的动态性能是研究直线电机中极为重要的指标，然而由于s l i m 结构上的 特殊性，虽然从事s l i m 动态性能研究的科研机构也不少，但是关于这种s l i m 的 2 绪论 动态性能测试成果的相关文献并不多见，可见，相对其产业化程度而言，目前世 赛上在s l i m 动态性能测试方面还处于一个较为落后的阶段。 就个人所能查阅到的资料，目前世界各国现有的s l i m 动态性能测试试验台从 测试目标上来分，主要有测试电机动推力和测试电机垂向力两种。在动推力测试 方面大都利用负载法或加速度法来推算；在垂向力测试方面一般根据直线电机的 电流和气隙来计算，但相关的文献并不多见，仅有不多的几家科研机构搭建了采 用压力传感器测量其垂向力的试验台，但未见相关试验结果的文献。但是直线电 机的垂向力大小直接关系到列车的运行阻力、感应板材料选择、列车轨道安装强 度等因素，所以测试直线电机动推力和垂向力是相当重要的【- 1 2 1 。 基于以上原因，通过学习和比较目前世界上常用的几种测试方法，本课题提 出搭建一个利用磁悬浮原理，完全无接触的，不仅能测直线电机动推力，还能测 电机垂向力的测试平台。该平台可以利用电机的加速度来测试直线电机的动推力， 利用悬浮电磁铁的电流变化来精确测量直线电机的垂向力变化。其基本原理与结 构组成将在下章中描述。 1 2 磁悬浮控制技术 磁悬浮技术比较成熟的是常导电磁吸力型和电动斥力型，可这两种方案都存 在着一些不尽人意之处。常导电磁吸力型虽然可以实现“零速 悬浮，乘坐舒适 度好，无磁场污染，但是纯电磁悬浮型悬浮磁极的励磁电流随悬浮气隙的增大迅 速增大，因此悬浮气隙不能过大，这对轨道精度提出了很高的要求。另一方面， 由于采用常导线圈绕制电磁铁，线圈的电流驱动器体积大、重量大，增加了车体 的自重，降低了整个装置的有效载荷能力和载荷空间。 电动斥力型虽然悬浮气隙较大，一般为1 0 0 m m 1 5 0 m m ，又不需要反馈控制来 保证系统的稳定性，但是由于悬浮是斥力悬浮，磁场很强，磁场又无闭合铁心磁 路，有较强的磁场污染，为屏蔽污染而增加的装置和超导的制冷装置又将增加车 体的重量。由于列车必须在达到一定的速度后才能实现悬浮，在车上须安装机械 辅助支撑装置，增加了轨道的复杂性，并且其舒适度与常导吸力型的相比差很多。 因此，本课题磁悬浮部分采用一种用永久磁铁和常导线圈构成的混合式电磁 吸力型悬浮系统方案，可增大悬浮气隙、实现稳态“零 功率悬浮、减轻车体重 量、且无磁场污染。与现有的悬浮方案相比有很多优越之处【1 3 1 4 1 。 在许多磁悬浮的实际应用中，都要求悬浮系统的悬浮气隙能有较大的工作范 围，由于磁浮系统悬浮力电流气隙之间的非线性特性，电磁悬浮模型开环不稳定， 3 北京交通大学硕士学位论文 至少需要输出( 气隙) 反馈，并增加超前滞后补偿器才能实现稳定悬浮d s 。为了 设计一个性能良好的悬浮控制器，基于电磁铁悬浮系统的稳定性控制问题受到了 广泛的关注。 对磁悬浮模型的稳定控制通常是将非线性磁悬浮模型在工作点( 或平衡点) 附近进行泰勒展开，忽略高阶项以后，就得到一阶线性化模型。这种线性化模型 在磁悬浮控制中得到了广泛的应用，并已经在工程上验证了它的实用价值【晦1 7 】。 但是使用这种线性化方法设计的控制策略也有其局限性。由于线性化模型是在平 衡点附近得到的，因此当气隙误差( 相对参考位置的) 迅速增大时，将导致控制 策略的迅速恶化，影响系统稳定。 解决这一问题的方法是针对磁悬浮系统的非线性特性采用非线性的控制方 法。在这个方向上产生了模型参考自适应控制、反馈线性化控制、增益表控制【1 8 】、 神经网络控制等等一系列的控制方法。 其中，由j i n h 等提出通过非线性反馈线性化设计磁悬浮控制器的理论和方法 倍受关注。在这里，磁悬浮模型采用完全非线性化状态方程描述。因此通过反馈 线性化得到的模型在很大范围内不受平衡点的影响。反馈线性化理论在近年来得 到了大量的研究并有很大的发展，已经成功的应用在直升飞机的无人驾驶控制系 统中。这部分内容将在第三章中有所介绍。此外，神经网络、遗传算法、滑模控 制【l9 】等控制方法也在悬浮控制中得到了应用。 对磁悬浮控制最基本的要求就是控制系统要具有快速响应、动态过程平稳、 抗干扰性好的性能特点，其中抗干扰性尤为重要。控制系统的实现可以全部采用 模拟电路，也可以采用以数字电子计算机为核心的数字电路。模拟电路的优点是 运算速度快，实时性好，但控制精度低、电路受外界环境影响大，且不易实现复 杂的控制算法，调试困难。传统的数字控制器大多采用单片机来实现，但这种控 制器的效果要受到采样频率的限制。当控制算法复杂，计算量较大时，采样频率 就不可能很高。这势必会影响控制的效果。 d s p 器件是一种特别适合数字信号处理运算的微处理器，由于它具有硬件上 采用多总线哈佛结构、指令执行采用流水作业，使得以d s p 器件为核心的控制系 统具有非常快的数据处理能力和良好的扩展能力，克服了模拟控制器和以单片机 为核心的数字控制器的缺陷。 为了克服模拟电路带来的不稳定性、不易扩展性等缺点，并考虑到便于控制 规律的实现、更新和改进，应该选择数字实现方式。要实现复杂的控制算法，必 须采用高性能的数字计算机。 本课题采用d s p 为核心的数字控制悬浮系统，系统的阶跃响应调节时间短， 超调量小，在单位干扰作用下气隙的稳态误差较小，系统的鲁棒性好。 4 绪论 1 3 论文的主要安排 本论文是建立在实验室前面同学的研究基础上完成的，前期研究已经完成的 内容包括：测试平台各个组成结构的设计，包括电气系统和机械结构的设计与实 现，以及详细阐述了悬浮系统硬件部分的设计和调试等等。 本论文的主要内容提出如下，由七章构成： 第一章：阐述了课题的研究背景及意义。 第二章：结合本课题提出的利用磁悬浮原理的s l i m 动态性能测试的方法，介 绍了s l i m 动态性能测试平台工作原理及结构组成，并给出了测试平台磁悬浮控制 部分的硬件构成，包括控制电路和主功率电路等环节的硬件设计。 第三章：本章针对该测试平台设计的混合磁悬浮系统进行了电磁场理论分析， 建立了该混合磁悬浮系统的数学模型，在此基础上通过平衡点线性化和非线性反 馈线性化两种线性化方法得到系统的线性化状态方程。 第四章：深入研究了测试平台的悬浮控制策略，从系统的能控能观性分析出 发，分别研究了非线性模型反馈线性化后的p i d 控制和非线性方法的滑模变结构 控制器的设计，并通过仿真验证了方法的可行性。从理论上实现了悬浮控制。 第五章：给出混合磁悬浮系统的软件控制设计，编写控制算法程序，接着对 各部分模块进行调试实验，然后对整个系统进行一系列实验，验证了所提控制方 法的可行性。 第六章：总结全文，提出今后要完成的任务。 5 北京交通大学硕二 ：学位论文 2 直线电机测试平台的工作原理与结构组成 2 1 测试平台的工作原理 本课题搭建的直线电机测试平台主要包括：直线电机、悬浮磁铁、传感器、 控制板、驱动电路、电源、导轨、支架等。测试平台的结构框图与系统控制结构 图如图2 1 所示： 图2 1 测试平台系统结构图 f i g u r e 2 1s y s t e mc h a r to ft e s t i n gp l a t f o r m 6 直线电机测试平台的工作原理与结构组成 该测试平台系统的工作原理为：首先设定待测的s l i m 气隙值，将磁悬浮小车 调整到相应的位置，然后给由电磁铁与永久磁铁组成的混合磁铁上电，通过d s p 来控制图2 1 中电磁铁的电流，利用混合悬浮磁铁的电磁吸引力使整个悬浮小车稳 定悬浮( 即定气隙悬浮) 。然后给图2 1 中s l i m 初级通电，当s l i m 启动后，会 产生一定的垂向力，相当于悬浮小车的重量改变，悬浮气隙有变大或变小的趋势。 系统通过电流传感器和气隙传感器检测出气隙值的变化，然后经过信号处理电路 与滤波电路，再通过d s p 控制板的a d 信号处理电路把模拟量转换为数字量，经 过在d s p 的c p u 上计算，来改变d s p 程序控制器输出的p w m 脉冲，再经过接 口、互锁电路来改变控制电磁铁电流的斩波器的脉冲宽度即占空比的大小，从而 改变通过电磁铁的电流使悬浮小车在恒定气隙下稳定悬浮。此时电磁铁的悬浮电 流所产生的电磁吸引力变化就是s l i m 垂向力的变化。与此同时，通过图2 1 安装 在轨道的位置传感器可以计算出s l i m 的加速度变化，进而计算出s l i m 的动推力 变化。可以看出，在整个测试系统中，磁悬浮子系统起着重要的作用，其主要包 括混合悬浮磁铁、驱动电路、控制电路、传感器和电源等几部分组成。 2 2 测试平台的组成结构 该测试平台包括以下三个子系统t 磁悬浮子系统，机械本体子系统和直线电 机子系统。直线电机基本结构和基本工作原理已在绪论中介绍，本课题选用的直 线电机为扁平型单边短初级直线感应电机。下面对磁悬浮子系统和机械本体子系 统逐一进行介绍。 2 2 1 磁悬浮子系统 磁悬浮子系统是该测试平台中的重要组成部分，其中悬浮磁铁又是关键性部 件，其性能的好坏直接关系到测试平台能否正常工作。因此本课题的混合悬浮磁 铁结构，包括悬浮磁铁的形式选择、铁芯材料、铁芯的几何尺寸与形状、电磁铁 绕组的匝数与线径等，是在悬浮磁铁规定的技术条件的基础上来确定的，从而保 证悬浮系统能够稳定可靠地工作。 由于本测试系统悬浮质量大，平衡气隙大，如果用纯电磁铁悬浮则需要很大 的电流，那么要求电磁铁绕组的线径增大、匝数增大，对装置的轻量化和降低平 台造价都不利，所以本课题采用的由电磁铁和永久磁铁相结合的混合悬浮系统， 7 北京交通大学硕士学位论文 期望该系统在稳定运行时，由永久磁铁提供大部分的悬浮力，电磁铁仅仅在系统 受到扰动时起调节作用。 一般地，电磁铁与永久磁铁构成的混合磁铁结构有两种形式，如图2 2 。 永久磁铁 图2 2 常用的混合悬浮动态模型 f i g u r e 2 2d y n a m i cm o d e lu s e dh y b r i dl e v i t a t i o n 本课题选用了第一种结构形式，混合悬浮磁铁的参数如表2 1 所示： 表2 1 混合磁铁参数 t a b l e 2 1p a r a m e t e ro f m i x e dm a g n e t 参数名称参数值 电磁铁绕组匝数 8 0 0 电磁铁绕组电组r ( q ) 1 6 电磁铁磁极截面积s ( m 2 ) 0 0 2 6 * 0 0 3 9 铁芯截面积w 名( 肌2 ) 0 0 2 6 * 0 0 3 5 永磁铁长度乙( 朋) 0 0 3 8 5 导轨折算厚度d ( m ) 0 0 6 0 永磁铁截面积w ( 历2 ) 0 0 2 6 * 0 0 3 5 混合磁铁高度吃( m ) o 2 5 混合磁铁宽度2 x c + k ( m ) 0 4 3 5 铁芯材料 d t - 4 e 悬浮体质量( 包括混合磁铁) ( k g ) 4 4 混合磁铁参数如下： ( 1 ) 混合悬浮磁铁平衡位置z 。：即磁悬浮小车处于平衡位置时和导轨之间 8 电磁铁 永久磁铁 直线电机测试平台的工作原理与结构组成 的气隙，本系统取1 0 m m 。 ( 2 ) 额定条件下的电磁吸力r ：即悬浮体处于平衡状态时悬浮磁铁所需要 提供的吸力，由力学常识可知，此时电磁力等于悬浮体的重力加上电机垂 向力( 最大值约为3 0 1 , 1 ) 。 ( 3 )功率损耗：主要指线圈的功率损耗，即铜损。线圈的功率损耗是指在 正常工作时电流的平方与电阻的乘积。 ( 4 ) 容许温升：主要指电磁铁线圈在额定工作电流下的容许温升。 2 1 2 机械本体子系统 为了满足单边型l i m 动态性能测试平台整体达到一个优良的性能，不仅要有 优良的电气系统、控制算法，而且还要有优良的机械结构予以保证。本课题从机 械系统设计角度出发，主要考虑设备的性能指标、设备的工作环境条件、设备的 使用要求等，来进行系统机械结构的设计，以满足直线电机测试平台系统稳定工 作的要求，最后的测试平台的机械结构原理图如下： 1 4 1 6 、 1 、 、 、。 5 q 、 1 tl iiiu r、 7 1 ii l f 6 m m c 1 3 i 基 ，t x、8 1 l i i l 图2 3 测试平台机械结构原理图 f i g u r e 2 3m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f t e s t i n gp l a t f o r m 图中：l 一顶板，2 保护板，3 一连接板，4 一单边型l i m 次级，5 位置传感器，6 一单 边型l i m 初级，7 支撑板，8 一电磁铁，9 连接柱，1 0 纯铁铁芯、ll 永久磁铁，1 2 一底 座，1 3 气隙传感器，1 4 一支架，1 5 一悬浮气隙，1 6 一直线电机气隙 北京交通大学硕士学位论文 测试平台整体尺寸为长一1 3 0 0 m m ，高一1 2 0 0 m m ，宽一3 0 0 1 1 1 i i l 。连接装置均 采用厚钢板。混合磁铁采用电磁铁与永久磁铁相结合的形式，共两套，每套由一 块永久磁铁、两块d t e 叫的电工纯铁和匝数为1 6 0 0 匝的电磁铁组成，实物图如 图2 4 所示。所选直线电机为扁平型单边短初级l i m ，型号为：x y l8 0 9 - _ 4 5 a l 3 ， 其中反应板为长1 3 0 0 m m 宽7 5 m m 的复合板，其内层( 靠近直线电机初级的一侧) 是厚度为3 m m 的铝板，外层是厚度为8 m m 的铁板。气隙传感器为型号为z 4 w 二 v 2 5 r 的l e d 无接触传感器，在每一套混合磁铁安装一台。直线电机测试平台机 械结构实物图如图2 4 和图2 5 所示。 图2 4 混合磁铁实物图 f i g u r e 2 4m a t e r i a ld i a g r a mo f h y b r i dl e v i t a t i o n 图2 5 测试平台实物图 f i g u r e 2 5m a t e r i a ld i a g r a mo ft e s t i n gp l a t f o r m 1 0 直线电机测试平台的工作原理与结构组成 2 3 传感器的选择和性能测试 传感器是混合磁悬浮系统的重要组成部分，用于检测被悬浮体的位置，以控 制电磁气隙，将物理量位移信号转换为电信号，实现非电量的测量，并为控制其 提供控制信息。传感器性能的优劣直接影响整个系统的性能。 常见的无接触式位移传感器主要有激光传感器、电涡流传感器、超声波传感 器、l e d 传感器、光敏元件传感器、图像传感器等。分析这几种传感器的优缺点， 结合本系统的特点，决定选用型号为z a w - - v 2 5 r 的l e d 位移传感器。 该传感器体积小便于安装，分辨率高，线性度好，响应时问快几乎没有延迟 时间，可控范围为+ 4 m m 完全满足本系统要求，接线简单、放大器内置、直接输 出1 5 v 的标准电压，而且价格也比较低。可以完全满足本系统的要求，其输出 特性曲线如图2 6 所示，其具体参数如下表2 2 所示。 从传感器开始距离( m a n ) 图2 6l e d 位移传感器输出特性曲线 f i g u r e 2 6o u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fd i s p l a c e m e n ts e n s o r 表2 2z 4 w v 2 5r 型l e d 传感器的参数 1 a b l e 2 2p a r a m e t e ro f z 4 l v 2 5rl e ds e n s o r 测定范围 4 m m 测定中心距离 2 5 l m m 光源( 发光波长)红色发光波长( 7 0 0 n m ) 光点直径由2 m m ( 处于测定中心距离) 分辨率x 1 1 0pm 直线性2 3 f s 应答时间x 3动作、复位：各5 m s 显示灯s t a b i l i t y ( 光量表示) 北京交通大学硕士学位论文 输出模拟位移输出 n p n 开放式集电极输出d c 3 0 v 负 d a r k 输出 载电流5 0 m a 以下( 残留电压1 v 以下) 1 0 5 5 h z ( 双振幅1 5 m m ) 、3 方 振动( 耐久) 向各1 5 m i n 2 扫描 冲击( 耐久) 5 0 0 m s 23 方向 d c l 2 2 4 v 1 0 波动( p - p ) 1 0 电源电压 以内 消耗电流8 0 m a 以下 动作时：1 0 + 5 5 、保存时：2 0 周围温度 + 6 5 ( 不结冰、结露) 动作时、保存时：各3 5 8 5 r h 周围湿度 ( 不结露) 保护构造i e c 规格i p 6 6 材料外壳：a b s 连接方式导线引出型( 标准导线长5 m ) 2 4 功率放大器 2 3 1 四象限斩波器主电路 因为该测试平台中的悬浮机构是由电磁与永磁相结合的混合悬浮结构，出于 节能和降低供电设备的耐压、耐流限制以及减小电磁铁电流以防过于发热等因素 考虑，期望整个磁悬浮系统在额定气隙稳定悬浮时由永久磁铁提供几乎全部的悬 浮力，只有在系统受到扰动时才利用调节电磁铁电流来稳定，而这种扰动的方向 是完全未知的，这就要求电磁铁电流的驱动器具有电流双向流动的能力和电流快 速跟随的能力【2 。 本课题所使用的四象限斩波器主电路图如图2 7 所示： 1 2 直线电机测试平台的工作原理与结构组成 图2 7 四象限斩波器主电路原理图 f i g u r e