（电机与电器专业论文）高温超导ems型混合悬浮控制器的研究与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a le m s ，t h eh i 曲一t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v eh y b r i de m s h a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，i n c r e a s i n gs u s p e n s i o ng a pa n d s a v i n gc o s t i th a sb e e na t t r a c t i n ga l o to fs c h o l a r st ob e g i nt os t u d yt h i sn e wk i n d t e c h n o l o g yi nm a g l e vf i e l d b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，a n ds u p p o r t e db ys t a t en a t u r a l s c i e n c ef u n d ”r e s e a r c ho fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v eh y b r i dm a g i e vs y s t e m ”，t h e w r i t e r j o i n e dt h er e s e a r c h ，a n dh a dd o n es o m e w o r ko ni t t a k i n gt h ec o n t r o l l e ro fh i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v eh y b r i dm a g l e vs y s t e ma s m a i nr e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e rm a i n l yr e f e r st ot h ew o r ko nr e s e a r c h i n gh y b r i dm a g l e v c o n t r o ls t r a t e g ya n dr e a l i z i n gc o n t r o l l e rh a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r e s i th a ss e v e r a ls e c t i o n s a sf o l l o w 1 a n a l y s i n gt h ep r i n c i p l eo fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v eh y b r i de m s e s t a b l i s h i n g m a t hm o d e l sf o rh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v eh y b r i dm a g l e vs y s t e m ，i n c l u d i n g r e l a t i v ed y n a m i cm o d e la n da b s o l u t ed y n a m i cm o d e l b a s e do nr e l a t i v ed y n a m i cm o d e l ， w ed e r i v e dv o l t a g e m o t i o ne q u a t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ee q u a t i o no fh y b r i d e l e c t r o m a g n e t 2 p r e s e n t i n gt w oc o n t r o ls t r a t e g i e s ：t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，f u z z y p i dc o n t r o l ，d i s c u s s i n g t h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e so nc o n t r o lt h e o r y ，c o n t r o l l e rd e s i g n ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n d o t h e ra s p e c t s a tl a s tb r i n gf o r w a r d e df u r t h e ri m p r o v e m e n tf o rt w oc o n t r o ls t r a t e g i e s 3 c h o o s i n gt i sn e wd s p - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，w h i c ha r ee m b e d d e dt os y s t e mt oa c h i e v ed u a l d s pm a g i e v c o n t r o l l e r i n t r o d u c i n gt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fm a g l e vc o n t r o l h a r d w a r em o d u l e s ，i n c l u d i n g ：s i g n a lp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t ，a ，dc o n v e r t e rc i r c u i t ，p w m c i r c u i t n e x t ，i n t r o d u c i n gs y s t e mc o m m u n i c a t i o nh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n g ：r s 一2 3 2 ， r s - 4 8 5 ，e c a nn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w od s p s 4 s o f t w a r em o d u l ed e s i g nf o rh y b r i dm a g l e vs y s t e m ，i n c l u d i n g ：i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ， c o n t r o la l g o r i t h mm o d u l e ，d i g i t a ls i g n a lf i l t e r i n gm o d u l e ，a dc o n v e r t i n gm o d u l e ，p w m m o d u l ea n dc o m l n u n i c a t i o n sm o d u l e 。 k e y w o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t , f u z z y - p i d ，d u a ld s p , e c a nn e t w o r k l l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 传统的轮轨式机车车辆是依靠车轮与轨道的机械接触来产生支撑力和导向 力的，其牵引力通过轮轨之间的粘着现象产生。磁浮列车则依靠电磁吸力或电 动斥力将车辆悬浮至一定高度，使列车与地面轨道问无机械接触，导向力也由 电磁吸力和电动斥力产生，另由线性电机( 又称直线电机) 产生的牵引力驱动列 车运行。所以磁浮列车在运行时与轨道闻没有机械接触，故而称为无接触运行。 线性电机产生的牵引力无需通过粘着现象产生，也不会受到轮轨系统中的接触 粘着的限制，故把这种牵引方式称为非粘着牵引【l 捌。 无接触运行和菲粘着牵引给磁浮列车带来一些新的特点，比如噪声小、振 动低、速度范围宽、加减速快、爬坡能力强、维护费用低等。由于磁浮列车的 这些特点以及其与环境的兼容，被称为生态纯净的陆上绿色交通工具，特别是 在一次性能源日益桔竭的情况下，受到许多国家的关注和研究1 3 , 4 1 。 磁浮铁路系统由线路、车辆、供电、运行控制系统等四个主要部分构成。 这几部分因驱动采用长定子直线电机或短定子直线电机而略有不同。采用短定 子驱动的磁浮列车，通过车上安装的受流器为磁浮列车提供电能，适用于中低 速运行，可用于城市内，城市与郊区间的中短距离运输，运行速度一般小于 2 0 0 k m h ，其代表是日本的h s s t 型常导磁浮车，国内有西南交通大学和国防科 技大学研制的中低速磁浮列车系统：而采用长定子驱动的磁浮列车直接从地面 供电，不用受流器，采用感应发电来满足车上用电，适合高速运行，其运行速 度可以达到4 5 0 k m h 一5 0 0 k m h ，可用于城市间的长距离运输，其代表是德国的 t r ( t r a n s r a p i d ) 型悬浮列车。 线路引导列车前进方向，同时承受列车荷载并将之传至地基。高速长定子 磁浮列车线路，其上部结构为用于联结长定子的精密焊接的钢结构或钢筋混凝 土结构的支承梁，下部结构为钢筋混凝土支敦和基础。支承梁本身在力学性质 上与传统土木工程简支梁桥或连续梁桥的梁部相同，由于其上需安装磁浮系统 的定子线圈和铁芯等磁浮列车的特殊要求，制造和施工精度要求比较高。低速 短定子磁浮列车，则在支承梁上铺设电机转子，采用f 轨实现导向。 供电系统提供列车运动所需的电能。高速长定子磁浮列车供电系统包括变 浙江大学硕士学位论文 电站、沿线供电电缆、开关站和其他供电设备，低速短定子磁浮列车供电系统 则包含变电站、沿线供电轨等供电设备。 运行控制系统是整个磁浮交通系统正常运转的根本保障。它包括所有用于 安全保护、控制、执行和计划的设备，还包括用于设备之间相互通讯的设备。 车辆是磁浮系统中最重要的部分，包括悬浮架及其上安装的电磁铁、二次 悬挂系统和车厢。此外还有车载蓄电池、应急制动系统和悬浮控制系统等电气 设备。其中的悬浮、导向技术是整个车辆技术的核心，是使磁浮列车将车辆悬 浮至一定高度，使列车与地面轨道间无机械接触，并安全导向的关键技术1 7 1 。 1 1 磁浮列车的分类 产生宏观磁场的代表性物体有永久磁铁、常导电磁铁以及超导电磁铁三种； 与之相互作用产生磁力的则有超导体、金属导体以及强磁性体。以上六种物体的 组合可以产生多种类型的磁悬浮方式，而且可以实现多种磁源共用的混合励磁方 式，本文研究的磁悬浮系统就是电磁、超导磁铁混合励磁方式。从悬浮力的产生 的原理来分，磁悬浮可以分为吸引力型磁悬浮( e l e c t r om a g n e t i cs u s p e n s i o n ，简 称e m s ) 和推斥力型磁悬浮( e l e c t r od y n a m i cs u s p e n s i o n ，简称e d s ) 两大类【5 , 6 , 7 1 。 图1 - 1 德国t r 高速磁悬浮列车结构简图 1 1 1 电磁吸力型悬浮c e m s ) 所谓电磁吸力型悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁( 或永久 磁铁加励磁控制线圈) 通电励磁而产生电磁场，电磁铁与轨道上的铁磁性构件 ( 钢质导轨或长定子直线电机定子铁芯) 相互吸引。将列车向上吸起悬浮于轨 道上，电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙( 称为气隙) 一般约弘1 0 衄啊。列 浙江大学硕士学位论文 车通过直线电机来牵引行走，通过控制悬浮电磁铁的励磁电流来保证稳定的悬 浮气隙。该型磁悬浮列车以德国的t r 系列和日本的h s s t 系列为代表。图1 - 1 所示为德国t r 高速磁悬浮列车结构简图，图1 - 2 所示为上海线上运行的磁浮 列车，图1 - 3 所示为日本h s s t 型磁浮列车的系统结构示意图。 图1 - 2 上海线上运行的磁浮列车 直爰瘪座电机g - - r - 拐壤) 图1 - 3 日本h s s t 磁悬浮列车结构简图 ( # 滠) 1 1 2 电动斥力型磁悬浮( e d s ) 电动斥力型磁悬浮列车是利用同性磁极之间的相互推斥的原理来实现车辆 的悬浮的，采用电动斥力悬浮系统( e d s ) i 拘磁浮列车只能在列车达到一定的运 行速度后才能实现悬浮( 列车通常都是高速的) ，如日本的m l u 系统和美国的 m a g p l a n e 系统 6 1 。 m l u 型列车利用超导磁体和短路线圈相互作用产生推斥力，这种磁悬浮方 式被称为电动悬浮型( e d s ) ，下面就以m l u 磁悬浮列车为例介绍e d s 型磁悬浮 3 浙江大学硕士学位论文 列车的悬浮原理，其悬浮和导向原理示意图如图1 4 所示。磁悬浮列车的车体上 安装有超导线圈，而在轨道上分布有按一定规则排列的短路线圈，当超导线圈内 通电时就产生很强的磁场，在列车以一定速度前进时，该强磁场就在轨道的短路 线圈内产生感应电流，感应电流的磁场与超导线圈的磁场相互排斥而产生上浮 力，列车速度愈大这个排斥力就愈大，当速度超过一定值( 时速8 0 公里以上) 时， 列车就脱离路轨表面而实现悬浮，其最大悬浮距离可达数十厘米。沿轨道两边铺 设“8 ”字型短路线圈，磁悬浮列车在静止或低速运行时不能起浮，要靠类似于飞 机起落架的橡皮轮支撑，此时车载低温超导磁体的中心线o v o v 与“8 一字形短路线 圈中心线o g o g 重合，“8 ”字形短路线圈中上下两部分产生的感应电势正好相互抵 消，因此在8 字形短路线圈中没有感生电流，因此也没有悬浮力产生。当列车 运行到一定的速度并收起支撑轮后，车载低温超导磁体下沉从而使低温超导磁体 中心线o v n 偏离“8 ”字形短路线圈中心线0 9 - 0 9 ，因而8 字形短路线圈上半部线圈 交链的磁通减少，下半部交链的磁通增大。结果使得上下两部分的感应电势不能 相互抵消，于是在“8 ”字形短路线圈内产生感生电流。由楞次定律可知，感应电 流在上半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向相同，在下半部 线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向相反，产生如图所示的磁场 极性分布。同性磁极相斥产生的推力会形成一个向上的分力，异性磁极相吸产生 的吸引力会形成另一个向上的分力，一推一拉形成磁悬浮列车的悬浮力。列车从 静止开始加速运行的过程中，悬浮力随速度增加而增加直至与重力平衡从而将车 体悬浮起来。该磁悬浮列车设计的起浮速度大约为1 0 0 - 1 5 0 公里小时。系统推进 与t r 系统相近，直线电机初级线圈分布在侧壁上，励磁磁极则为车载超导磁体。 m l u 列车的优点是悬浮和导向都是自稳定系统，因而悬浮和导向上都不需要主 动控制，而且m l u 的悬浮气隙大，在高速时悬浮气隙可达1 0 c m 1 5 c l n ，最大为 3 0 c m ，大气隙悬浮列车对轨道梁的加工精度要求相对较低，适用于高速行车。 其最大的缺点是需要低温超导技术，实施起来技术难度较大。 4 浙让大学硕士学位论文 ( a ) 悬浮示意图( b ) 导向示意图 图1 4 日本m l u 悬浮列车原理示意图 1 2 e m s 型混合悬浮技术 1 2 1e m s 型混合悬浮技术方案的提出 虽然采用e m s 悬浮技术和采用e d s 悬浮技术的两种磁浮列车都取得了令 人瞩目的进展，正在发展成为新型的绿色交通运输工具之一。但是这两种悬浮 系统也有自身的不足之处。 对于常导e m s 磁浮列车，虽然有不管列车运行与否，都能实现悬浮的优 点，并且列车运行高、低速皆宜。但这种磁浮列车的悬浮力全部由电磁铁提供， 由于悬浮线圈具有一定的电阻，悬浮需要一定的功率，因此悬浮气隙不能太大， 只为8 m m 一1 0 r n m 左右，否则悬浮功率随气隙变化呈平方正比增加。 由于运行中的能耗问题，影响了悬浮气隙的进一步增大。另一方面，由于 悬浮气隙较小，列车对轨道的精度要求较高，误差在2 m m 以内，增加了轨道 5 浙江大学硕士学位论文 的造价r 磁浮列车的线路土建造价占总造价的4 0 ) m 。 而e d s 磁浮列车一般采用低温超导磁体，悬浮气隙较大，为1 0 0 m m 一1 5 0 r a m ， 但由于轨道上的闭合悬浮线圈是离散的，而且悬浮斥力没有闭环控制，斥力随 着磁场强度的变化而变化，容易产生上下波动，因此磁浮列车的舒适度较差： 又由于悬浮斥力磁场很强，磁场又无闭合铁芯磁路，在列车车厢中有较强的磁 场，磁场对人体的不明损害将增加：美国的m a g p l a n e 系统方案采用永磁铁代替 超导磁体，铝板型轨道代替分离闭合悬浮线圈，车辆系统和轨道变得极为简单， 乘坐舒适度也较好，但由于车辆悬浮采用永磁体，车辆偏重、车辆辅助用电、 车厢强磁问题仍没有很好地解决。随着高温超导块材的发展，利用超导体钉扎 效应的磁悬浮系统得到了发展，如西南交通大学研制成功的高温超导悬浮车。 但由于这种悬浮系统的轨道为永磁体轨道，轨道造价过高、安全性和铁磁性铁 屑铁层污染难于清除等原因，其工程应用价值有待论证【8 】。 在此背景下，在节省能量、增大悬浮气隙方面有较大优势的混合e m s 悬 浮系统引起的越来越多研究者的兴趣。混合悬浮系统包括电磁和永磁构成的混 合e m s 悬浮系统，超导和常导构成的混合e m s 悬浮系统等。 电磁和永磁构成的混合e m s 悬浮系统，采用永磁材料产生悬浮所需要的 主要吸力，但只由永磁材料构成的悬浮是不稳定的，需要有常导线圈产生的磁 力进行调节，以保证系统的稳定悬浮。 超导和常导构成的混合e m s 悬浮系统，是将由高温超导线材和常导线材 绕制成混合电磁铁，系统悬浮所需要的电磁吸力主要由超导线圈提供，而常导 线圈产生的磁力起调节作用，以保证系统的稳定悬浮。 在上述两种混合悬浮系统中，系统悬浮所需要的吸力由永磁材料和超导磁 体提供。永磁材料不消耗电能，高温超导线圈在液氮环境中呈现超导态，电阻 为零，理想情况下也不消耗或只消耗极少的电能。起调节作用的常导线圈虽有 电阻，但其中流过电流的很小，只消耗有限的电能。 因此，混合e m s 悬浮系统消耗的能量将大大小于传统的常导e m s 悬浮系 统，能耗的降低，可以大大减小车载蓄电池容量和重量，还可以降低列车的自 重，增大磁浮列车的有效载荷。不仅如此，在有限的能耗范围内，混合e m s 悬浮系统可以增大悬浮气隙。而大气隙悬浮可以降低轨道精度要求，极大地节 6 浙江大学硕士学位论文 约轨道的建设成本。 这些混合悬浮系统在节省能量、增大悬浮气隙方面表现出很大的优势，但 要实现其稳定悬浮，其控制的难度和复杂性却相应增大了。 1 2 2 混合e m s 悬浮技术的研究现状 1 永磁和常导混合悬浮系统【1 8 1 1 9 8 0 年，d a v i d l a t h e r t o n 提出一种永磁与常导线圈的混合方案，把永磁 铁夹在u 型铁芯中心位置，而常导线圈绕在u 型铁芯两臂上，指出这种方案相 对纯电磁系统控翎难度增加，但未见有关实验资料。 1 9 8 9 年，日本提出了一种以节能为目的的永磁与常导线圈混合的悬浮系统 方案，这种方案也是把永磁铁夹在u 型铁芯中心位置，而常导线圈绕在u 型铁 芯两臂上，模型重8 k g ，当有4 k g 的负荷时，能够在不对蓄电池充电的情况下 连续运行8 小时。这种混合系统吸引人之处在于，它能够甩掉常规悬浮系统中 的以直线电机为基础的供电系统。 在国内对永磁和常导混合悬浮系统开展研究的有中国科学院，台湾清华大 学和国防科技大学几个单位。1 9 9 4 年台湾清华大学设计了一个电磁和永磁混合 悬浮的小车子，提出一种把永磁铁放在u 型铁芯两个极端面上，而常导线圈绕 在u 型铁芯中部的电磁永磁混合模型，并提出了“零”功率思想，采用交结构 控制方法，最后用实验结果证明了这种混合系统是可行的，并有较好的动态响 应。1 9 9 6 年国防科技大学在分析磁悬浮机理基础上，提出永磁式磁悬浮列车系 统零功率控制器的构想，给出了分析和仿真结果：所设计的永磁铁放在u 型铁 芯两个极端面上，而常导线圈绕在u 型铁芯中部，但并没有给出相关的实验情 况。2 0 0 5 年国防科技大学采用滑模控制方法设计了电磁永磁混合系统的悬浮控 制器，但也是只给出了仿真结果。2 0 0 5 年中国科学院首次在国内研制出四点悬 浮的电磁永磁混合悬浮模型小车控制系统并在国内首次实现了电磁永磁混合悬 浮小车的稳定的四点悬浮，具体试验结果验证了方案的正确性。所设计混合系 统的永磁铁放在u 型铁芯的两个磁极面上，常导线圈绕在两臂上。混合悬浮小 车总重量8 3 k g ，每个混合磁铁悬浮重量约2 1 k g 。 2 ，超导线圈和常导线圈混合系统i 爿切蕊明 日本于1 9 7 0 年首先开始了用低温超导磁体的磁浮车实验研究。1 9 7 2 年， 7 浙江大学硕士学位论文 在一个小的试验车上运行成功，随后进行了一系列的研究与开发，为磁浮列车 研制了几种超导磁体。 1 9 9 0 年美国政府组织并投资了一个所谓国家磁浮开创计划，四个系统概念 设计方案分别由b e c h t e l ，f o s t e r - m i l e r , g i u 衄缸和m a g n c p l a n e 等四个公司完 成，除g r u m m a n 公司是电磁制式外，其余三个都是采用超导磁体的电动悬浮 制式。这四个方案与法国的常规轮轨高速列车t g v * a 和德国的常导电磁悬浮 制式高速列车t r 0 7 进行了详细的比较，发现四个超导磁浮列车的方案均优于 法国非磁浮1 g v 诅和德国常导磁浮t r - 0 7 高速列车。 1 9 9 5 年，美国g m m m a n 公司设计了一种用低温超导线圈和常导线圈混合 的悬浮系统。这种混合系统的低温超导线圈在u 型铁芯中部，常导线圈绕在u 型铁芯的两臂上。由于超导材料的限制，超导线圈的电流变化率小于1 f k 。 g m m m a n 公司制造了一个模型，实验表明该系统能够连续无故障运行9 个月。 g r t l l n l n a n 公司的设计和实验说明设计和制造超导线圈和常导线圈混合的磁浮 系统是可行性的，有一定的工程应用价值。 我国于6 0 年代开始低温超导研究，1 9 6 5 年即用我国研制的第一代n b t i 单芯超导线绕制成我国第一个n b t i 超导磁体，1 9 7 3 年，根据高能物理研究的 需要，又开展了多丝n b 面超导线及高能探测器用超导磁体和脉冲二极超导磁 体的研制，电工研究所1 9 9 3 年已研制成功一个中心场强达4 特斯拉圆鞍型超导 磁体，准备提供磁流体发电试验用。1 9 9 4 年西北有色院和北京有色总院已成功 地用b 1 系带材研制出高温超导线圈。 国内对高温超导线圈的应用开展研究的主要单位有西南交通大学和清华大 学。1 9 9 3 年有学者提出电磁悬浮式高温超导与常导线圈混合的磁悬浮技术，这 种混合系统的高温超导线圈在u 型铁芯中部，常导线圈绕在u 型铁芯的两臂上， 给出了一种冷却高温超导线圈的方案，但并未进行试验验证。 2 0 0 3 年，清华大学物理系超导研究中心和北京英纳超导技术有限公司合 作，设计了一种基于b i 2 2 2 3 a g 线材制作的高温超导线圈的电磁悬浮系统。该 试验装置首次验证了高温超导线圈在3 2 安培小电流下的可控性问题，为进一 步探索高温超导线圈于磁悬浮轨道交通系统的可行性打下了基础。 8 新江大学硕士学位论文 1 2 3 混合e m s 悬浮技术的优点 吸引式的e m s 型磁悬浮列车。其悬浮完全依靠电磁力的作用，如果电磁线 圈匝数一定，悬浮时电磁线圈的电流会很大，悬浮功耗很大。列车稳定悬浮时， 要满足一个基本的条件：无论列车的悬浮气隙多大，悬浮力要随时和列车的重力 保持动态的平衡。而列车的重力有个大致的波动范围，一般不可能无限的变化， 可以设想，列车的悬浮力大体由两部分构成，一部分是恒定电流分量提供，另一 部分由交变分量来提供，采用自身几乎无能耗的超导磁体提供一部分悬浮力替代 恒定电流分量，另一部分交变的悬浮力则由交交的电磁力来提供。 图1 5 所示为稳定悬浮时电磁线圈控制电流的变化示意图，从图中可以看出， 控制电流可以看作是在一个稳定的大直流分量上叠加一个较小的交流分量，设想 用一个由超导磁体所产生的恒定磁场来代替由直流分量产生的恒定磁场，由此可 演变出电磁和超导磁体混合悬浮方案。 图1 - 5 电磁悬浮系统电流变化不意图 如图所示，如果超导磁体恰好能够等效提供电流如的效果，则混合悬浮系统 中的电磁线圈只需产生一个很小的交变电流。即使超导磁体能够提供图中所示的 电流，混合悬浮系统中电磁线圈的负担也将大大减小。 用高磁能积的超导磁体产生的吸引力可以等效地平衡部分甚至全部的列车 负载重量，使得流过磁极的电流大大减少，磁极损耗显著降低。而超导材料制造 技术和工艺的进一步完善也为电磁超导混合悬浮提供了必要的物质保证。另一方 面，悬浮磁极加上超导磁体部分之后，要求控制系统有更快的响应速度、更强的 鲁棒性以保证悬浮气隙始终保持在一个安全的范围之内。而选择合理的控制方 案，使得列车在各种复杂的工作状况都能够实现稳定的高精度悬浮正是本课题的 一个重要目标。 采用超导磁体辅助电磁悬浮构成混合悬浮后带来了下述优点：如果列车悬浮 9 祈江大学硕士学位论文 气隙不变，则由于超导磁体提供了悬浮力，电磁线圈所需提供的电磁力大大减少， 电磁电流相应减少，能耗自然也就减少了；如果仍然提供原来的电磁力，则系统 的悬浮气隙可以提高，气隙的加大增加了系统的安全性，也降低了轨道加工精度 的要求，大大降低了施工难度和工程造价：事实上，可以实现上述两方面的优化 结合，在保证悬浮功耗适当降低的情况下，适当地增加悬浮气隙，获得大气隙悬 浮带来的好处。 1 3 本文研究内容 高温超导e m s 型混合磁悬浮系统是一个非常复杂庞大的研究项目，其研 究内容包括项目理论论证与分析、超导磁体的三维电磁场与耦合场动态数值分 析方法、超导直流偏置磁体和交流常导磁体的分析与设计、超导混合悬浮系统 数学模型的建立、超导磁体的优化设计、控制策略和控制算法研究和仿真、控 制算法程序编写、控制器设计与调试、模型样机制造和实验验证的研究方法等 等，涉及融合了材料、电工、控制工程等多个学科，内容触及相关领域的多项 前沿成果。 本课题研究在国家自然科学基金的资助下，对高温超导e m s 型混合磁悬浮系 统的基本原理、数学模型、控制策略及系统软硬件实现等诸多方面进行了深入研 究，重点放在混合悬浮控制策略研究及悬浮系统软硬件实现上。本文的主要内容 包括以下几个部分： 1 、以上海现有t r 0 8 悬浮列车为研究对象，在现有常导e m s 型单磁铁数 学模型的基础上，根据项目研究的需要，建立起高温超导混合悬浮系统的相对 参考动态模型数学模型和绝对参考动态数学模型，并以相对参考动态数学模型 为研究对象，推导出混合电磁铁的电压、运动方程和电磁力方程，为接下来的 系统仿真建模提供模型参考。利用m a t l a b 工具，与现有的常导e m s 型悬浮系 统进行电磁力及电流大小仿真比较，得出超导混合悬浮系统与常导悬浮系统相 比在降低能耗、降低成本、增加悬浮气隙等方面的优势。 2 、由于超导混合磁浮系统和常导磁浮系统具有很大的相似性，存在许多共 共性。鉴于此，结合混合悬浮控制系统的控制特点，提出了p i d 控制算法来调 制气隙和加速度反馈信号，通过尝试改进，进一步提出了运用模糊p i d 控制镶 略，并相应地利用m a t l a b 仿真软件建立仿真模型进行仿真实验。在引入电磁噪 1 0 浙江大学硕士学位论文 声、突加负载、减小悬浮气隙等各种扰动情况下，比较两种控制策略在实现系 统动态特性、稳态精度及鲁棒性等方面的差异。 3 、在对传感器进行测试和分析的基础上，采用由气隙传感器、电流传感器、 加速度传感器、数字信号处理单元( d s p ) 和输出电路组成的全数字控制器方 案设计具体控制器电路，进行d s p 编程并对控制器进行仿真和改进。通过对传 感器送来的气隙、电流、加速度信号的运算处理，输出p w m 控制信号，调节 交流磁体的电流，保证悬浮架的稳定悬浮。在该方案中，采用了双d s p 的控制 器设计，d s p 选用的是1 r i 公司高性能控制d s p - - t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，两块d s p 分 别承担控制计算与诊断控制的功能，利用d s p 的d m a 接口实现两块d s p 之间 的数据通讯功能，同时运用c a n 现场总线，搭建控制器下位机中的网络框架。 4 、针对课题研究中所使用的d s p f 2 8 1 2 ，使用c 语言及汇编语言编写了主 要程序模块，包括d s p 各种初始化操作、信号通道的设定和a m 转换结果的 读取、信号的滤波、控制算法实现、结果的输出及c a n 等相关通讯协议程序 等。 1 1 浙江大学硕士学位论文 第二章超导e m s 型混合悬浮系统的原理与建模 高温超导混合e m s 悬浮系统是一个多变量、时交、非线性的复杂系统， 分析这样一个系统，必须建立与之相对应的数学模型，实际上得到能精确描述 这样一个复杂系统的数学方程是很难的，而对于单自由度磁悬浮系统常用的分 析方法是在一个自由度上建立其力学方程，并结合电学方程得到系统的动力学 模型。本章在讨论了超导材料特性及应用的基础上，重点说明两种单自由度超 导与常导混合系统数学模型的建立及线性化过程。 2 1 超导的特性及其在磁悬浮中的应用 金属等导电材料在传导电流时，都会表现出对电流的阻碍作用，造成电能 的损耗。1 9 1 1 年荷兰物理学家o n n e $ 发现贡的电阻在4 2 k 时会减小至零。于 是，科学家将这种现象称为“超导”，将这种冷却到一定温度以下时能表现出超 导电性的材料称为超导体【硐。 2 1 1 超导的基本特性 1 完全抗磁性( 迈斯纳效应) 1 9 3 3 年，德国的迈斯纳( m e i s s n e r ) 通过实验发现，当置于磁场中的超导体 从正常态变到超导态后，原来穿过超导体的磁力线会被完全排斥到超导体之外， 同时超导体外的磁通密度增加。由此可见，只要r 疋时金属为正常态，r 疋为超导态。许多金 属和合金在低温下都会出现超导现象，不同金属转变成超导态的i | 缶界温度不同。 应该指出的是，超导体只有在直流情况下才有零电阻现象，若电流随时间 变化，将会有功率耗散。 3 临界磁场日c 超导态除了决定于温度外，还与外磁场有关。在凡疋温度下，当外磁场日 小于某一临界值匝时，超导态可以保持；当日 皿时，超导态便转变为正常态。 1 2 浙江大学硕士学位论文 珥仞称为温度为r 时的临界磁场，皿与r 的关系为： h a t ) 一h a 0 ) 1 一( ) 2 】 c 其中玩例为z o k 时的临界磁场，对于不同的超导材料有不同的匝例 值 每一种超导体都有一定的临界磁场数值，对于第二类超导体还存在当磁场 高于上临界场既时，超导体处于既有超导态又有正常态的混合态；只有当磁 场高于下临界场皿2 时超导体才完全转变为正常态混合态下第二类超导体的 临界电流密度很低，而非理想第二类超导体在混合态仍有很高的临界电流密度。 下图为非理想第二类超导体l 临界磁场示意图。 0h c lh ah 图厶l 非理想第二类超导体的磁化曲线 当通过超导体的电流超过一定的数值厶后，超导态便被破坏，厶称为超导 i 临界电流。每单位截面积超导体流过的最大电流值，称为临界电流密度。 4 b i 系高温超导材料 长期以来，人们发现的超导体只能在低温液氦区h 左右) i - 作，这就需要许 多低温设备和技术，费用很高且不方便，因而限制了超导体的应用。2 0 世纪6 0 年代开始，人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区( 7 7 目以上的办法， 这就是高温超导研究。高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度7 7 k 以上， 电阻接近零的超导材料。 到目前为止，己发现的高温超导材料很多，其中有五种属典型复杂金属氧 化物，这其中的四种体系的高温超导材料是己可以在液氮温区实现超导的材料。 我们试验中所用的超导体是b i 2 2 2 3 ，它的临界温度最高为1 1 0 k 。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 超导高温的应用 由于高温超导材料同样具有零电阻性和抗磁性等优点，使高温超导材料广泛 应用于各个领域，如磁共振装置，核磁共振，磁悬浮列车、实验用磁体，精密磁 测元件等。 高温超导体的零电阻效应，使其具有无损耗输运电流的性质；高温超导体 的迈斯纳效应，使其显示完全抗磁性。根据高温超导体的这两个性质，可以将 高温超导应用在磁悬浮方面，如日本的m l u 磁浮列车就是利用超导体的这两 个性质而设计。同时，也可以将高温超导和超导进行结合，制成高温超导混合 悬浮列车，它相比与超导e m s 型磁浮列车，具有降低悬浮能耗、加大气隙、 提高车辆的道路适应性、提高系统冗余、降低造价和提高可靠性等优势，具有 相当大的应用前景。 2 z 混合e m s 悬浮控制系统原理 混合系统由导轨，u 型铁芯，电磁线圈，超导磁铁，传感器，控制器等组 成。u 型混合单磁铁在高温超导线圈提供的静磁吸力的作用下处于平衡位置， 也称为参考位置。如果混合单磁铁受到一个向下的干扰矗，那么它受到的向下 的力f a + m g 就大于高温超导线圈提供的平衡位置时的力，混合单磁铁偏离平衡 位置向下运动，高温超导线圈提供的静磁吸力会因为气隙的增大而减小，此时 位移传感器测出混合磁铁偏移平衡位置时的位移，并把这一信号送入控制器， 结合电流传感器测得的电磁线圈的电流进行分析和计算，得到一个控制信号， 这个控制信号会使主电路产生一个电流f ，电流流入电磁线圈后在混合单磁铁 中产生一个磁通，这个磁通与高温超导线圈产生的磁通方向相同，相叠加后使 气隙处的总磁通矿。增加，此时混合单磁铁受到的电磁吸力增大，重新回到平 衡位置。 相反，如果混合单磁铁受到一个向上的扰动，则它相对平衡位置向上偏移， 那么位移传感器测得的位移送入控制器时，会使主电路产生一个与上述情况反 向的电流i ，使电磁线圈产生的磁通与高温超导线圈产生的磁通相抵消，使气 隙处的总磁通相对平衡位置时的磁通减小，从而电磁力减小，使混合单磁铁重 新回到平衡位置。在混合e m s 悬浮系统调节的过程中，控制系统不断检测气 隙，遁过气隙变化控制电磁线圈的电流就可以使混合单磁铁始终处于平衡位置。 1 4 浙江大学硬士学位论文 由以上的分析可以看出，本课题所讨论的混合e m s 悬浮系统平衡点的电 磁力基本由高温超导线圈提供，常导线圈产生的电磁力起调节作用，使混合单 磁铁能够在平衡点附近实现稳定悬浮。高温超导线圈中的电流是由恒流源提供 的恒定电流，当混合磁铁受到向下或向上的扰动时，常导线圈中必须迅速通以 正向或反相电流以增强或削弱高温超导线圈提供的磁通，使混合磁铁能稳定在 平衡点附近，因此适用于纯电磁悬浮系统的两象限h 型斩波器在这里不再适用， 需设计h 型四象限斩波器以产生两个方向的电流。基于d s p 的数字控制器通 过控制斩波器上下桥臂四个i g b t 的开通与关断，使电磁线圈产生两个方向的 电流，从而达到调节混合磁铁所受电磁力的目的。 2 3 混合e m s 悬浮系统动态模型 高温超导混合电磁悬浮系统结构和常导电磁悬浮系统结构相似，通常也是 多电磁铁结构，每个模块的运动有纵向、侧移、升降及摇摆、侧滚、俯仰6 个 自由度。每个磁悬浮试验架具有四个相同的混合电磁铁和两个悬浮控制器，每 个悬浮控制器控制单侧的两个混合电磁铁，这两个控制回路的结构功能相同。 因此可以将一个悬浮控制回路作为研究单元，而一个悬浮控制回路中有两个相 同的混合电磁铁，所以单个混合电磁铁是磁悬浮系统的基本单元，分析单个混 合悬浮电磁铁的动态模型和动态特性相比多磁铁系统更具通用性。在此我们将 单个混合电磁铁作为研究对象。 当认为轨道静止，只考虑动子和轨道的运动关系时，所得到的悬浮系统的模 型称为相对参考动态模型；而当考虑了轨道形变的因素时所得到的悬浮系统的模 型称为绝对参考动态模型。 2 3 1 相对参考动态模型 相对参考动态模型就是指仅考虑电磁铁相对轨道的运动关系，而不考虑轨道 本身的弹性振动或动态变形，即认为轨道相对于电磁铁而言具有无穷大的刚度系 数时所得到的模型。对于绝大多数实验室进行的磁悬浮试验，因为试验轨道十分 牢固，因而利用这种模型进行设计和分析可以得到足够高精度的结果，本文的分 析正是基于这种相对参考动态模型的汹1 。 单磁铁悬浮系统的结构图如图2 1 所示，分析之前先作如下假设： 渐江大学硕士学位论文 ( 1 ) 磁铁磁路中铁磁材料的磁导率无穷大( 忽略铁芯和导轨中的磁阻) ， 磁势均匀地降落在气隙上： ( 2 ) 忽略绕组的漏磁通( 即九- 0 ) ： ( 3 ) 假定导轨作用面的刚度系数无穷大，不考虑导轨本身的弹性振动或 动态形交； 电漉 图2 - 2 混合e m s 单磁铁相对参考悬浮动态模型 其中： m 铁心两极的常导线圈的总匝数 n 仁卜常导线圈两端的电压 f 姻过常导线圈的电流 胁_ b i 2 2 2 3 ，a g 超导线材的高温超导线圈的匝数 f j 通过高温超导线圈的电流 z f f 卜- 导轨和磁铁之间的气隙 肿一混合单磁铁质量 争铁心截面积 7 卜单磁铁受到的外界干扰 ，f z 卜一电磁力 驴。整个磁路有效磁通 浙江大学硕士学位论文 基于上述的假设，简化系统模型可得到混合悬浮系统的磁路模型如图2 3 ： 一 r n ； 了 圈2 - 3 超导和常导混合磁铁等效磁路模型 r 。为每个极处气隙的磁阻，等为每个极上常导磁极所产生的磁势，札f l 为超导线圈所产生的磁势。 r 。- 等 旺， 鳓为空气磁道率。 由等效磁路模型，可以计算出磁路磁通： 酢力。警；酱；嘴铲娩2 ， o s 磁铁绕组在气隙z ( t 1 处的电感为： 蚴卜知，a 惫半一错 眩3 ， 式中，虬为电磁铁绕组匝数，妒f r 为常导线圈电流产生的主极磁通，碍为 磁路磁阻，s 为铁芯极面积，f ( f ) 为控制线圈电流。 由( 2 。3 ) 式知气隙磁密为： 肛业s ；巫铲2 t 泣4 ， z ( ) 则在f 时刻的瞬时吸引力f 乜，i ) 为： w ) = 堕t o 嗍s 【掣2 z 茅】2 ( 2 5 ) u j 1 7 一 一 塑兰奎兰堡圭兰竺兰兰 由上式可以看出，电磁力与电流的平方及气隙的平方的关系不是线性的， 并且和纯电磁悬浮模型不同，电磁力不与电流的平方成正比，不与气隙平方成 反比，这些都是因为高温超导线圈的加入。 为了和电磁悬浮方式进行对比，这里给出纯电磁悬浮方式的电磁力计算公 式： 一 蹦叫，s 鬻 泣6 ， 比较式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可得，对于相同的悬浮力，混合e m s 悬浮控制方 式中常导提供电流比纯电磁悬浮提供电流要小的多，这就大大降低了悬浮耗能。 电磁铁绕组回路的电压方程为： 雎o ) 一r i ( t ) + 【矿( z ，j ) 】 4 f 嘶m 。掣a t 一丛鬻产警d t 7 z z 。l f l 则电磁铁在垂直方向的力学方程为： 聊争；历g + 肿) 一聊，f ) ( 2 8 ) 式中俐为外界扰动量。 此时，系统动态模型方程可以通过以下几组方程表示为： 盹扣鲁砥s c 笔斧，2 嘲喇m 厶警一丛掣。警 纪9 ， m 挚，胁占+ 删叫列) 平衡点处边界条件为： m gtf ( f o ) 确【华】z ( 2 1 0 ) o 一n 2 , 3 2 平衡点处线性化 为了利用线性理论分析和设计磁悬浮控制系统，通常将非线性方程组( 2 9 ) 浙江大学硕士学位论文 在平衡点0 矗动附近线性化，以得到一个近似的线性化模型。理论和实践都己表 明这种局部线性化是具有实用意义的。通过对方程组( 2 t 9 ) 的线性化处理，我们 可以得到如下方程组： f肌搿)-删k：ar)+z(t)-。k,ai(t圳)+af,(tau ala i k l ( 2 1 1 ) i( f ) lrf ( r ) +口( f ) 一j ( f ) 。 其中p 一( 别毗s 避产2 屯2 l ，吣s 掣 r 芦o 2 s 一百 其中，k ：表示气隙变化单位长度时电磁力变化的值；k ；表示电流变化单 位量时电磁力变化的值；l o 表示平衡点电感值。另外，系数间有如下关系： lo k z = k i 2 忽略摩擦力及干扰的影响，可以得到： f 院t q ( t ) ；k ：厶z o ) 一k i a i ( t ) 1 “( f ) 。r a i ( t ) + 工。a i ( t ) 一七f a i ( t ) 2 j 2 2 3 3 绝对参考动态模型j 上述相对参考动态模型应用于轨道刚度系数很大的实验室磁悬浮实验系统 的分析具有足够高的精度了，但是对于实际运行的磁悬浮线路，车辆通常都是由 高架导轨粱悬空支撑的。因此轨道的弹性振动和动态变形在实际系统中必须考虑 进去。为此在上面模型中引入空间的绝对参考平面，如图2 - 4 所示，这样所研究 的不仅是悬浮车体相对导轨的运动关系，还包括了悬浮体和导轨相对于绝对参考 平面的运动关系。在这种结构下得到的系统模型称为绝对参考动态模型，它比相 对参考动态模型更具有实际意义，可以说是一种考虑问题更加全面、更加准确的 模型。由于本文研究内容主要基于相对参考动态数学模型，因此在此对绝对参考 模型作简要论述。 浙江大学硕士学位论文 参考面 图2 - 4 混合e m s 单磁铁绝对参考悬浮动态模型 从图2 - 4 中，可以看出： z o )