课程设计 电磁悬浮系统主动器的设计.doc

电磁悬浮系统主动器的设计 摘要：磁悬浮系统是一种典型的非线性的不稳定系统。本文拟采用以str730F（TQFP144）为核心控制单元，实现磁悬浮系统的三闭环控制，使磁悬浮体得以稳定悬浮。Abstract: A magnetic levitation system is characterized by its instability, nonlinearity. This paper introduces a variable system controlled by three control system. The system is major in describing the research and design of the micro-distance measurement while using SCM to control and deal with all the variable.1. 绪论1.1磁悬浮定义磁悬浮是以非机械式接触的電磁力，就是利用磁场产生的磁力克服重力，使支持物体无接触地悬浮于空中的技术。它的主要特点是非机械式接触、无摩擦及可在特殊环境下(真空中)工作等，这些优点使得它有广泛的实际应用。磁悬浮由于噪音小，无污染，无机械接触等优良特性，能消除因摩擦而产生的阻力，延长设备的使用寿命，因而在交通、冶金、机械、电器等各个方面有着广阔的应用前景。近年来，磁悬浮技术在很多领域得到广泛的应用，如磁悬浮列车、主动控制磁悬浮轴承、磁悬浮隔振、风洞实验用的磁悬挂天平等。1.2磁悬浮技术和研究的历史发展磁悬浮的发展也有很长的一段过称。早在上个世纪恩思霍斯（Earnshanws）便发现抗磁物体可以在磁场中自由悬浮，此现象于1939年由布鲁贝克（Braunbeck）进行了严格的理论证明。磁悬浮技术的研究起源于19世纪初，早期的研究主要针对无源（被动）悬浮，但其刚度低，响应速度慢。磁悬浮圆盘是由一位名叫罗伊哈里根的人于1983年发明并获得专利的。该装置有一个纺锤形的圆盘，圆盘作为旋转体围绕转轴的运动能让磁感线在一定程度上形成一个静态孤岛。旋转起来之后就能悬浮在磁性底座之上。其实对于逆磁性(或反磁性)物体对一切材料均会产生大小不等的斥力。如石墨、超导陶瓷就是逆磁性材料。磁悬浮正是利用静电和电磁的非接触力传递实现的各种悬浮。具体地说：它是在没有机械接触性约束的条件下，使物体在空间处于稳定或似稳定的一种状态。现代而言，国外而言，在日本已建成多条常导和超导型试验铁路。其中大江试验线长1.53km，HSST-100低速磁悬浮列车于1991年的1月开始在该线上进行了为时两年的系统测试和评估，取得令人满意的效果。1997年4月3日建成的山梨试验线长18.4km，进行高速磁悬浮列车的试验运行，试验速度已超过550km/h。2003年在上海，磁悬浮列车是引进德国的技术， 在磁悬浮列车T形导轨的上方和伸臂下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使轨道电磁铁对车厢电磁铁的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车厢悬浮于T形导轨面上。利用磁铁异性相吸原理而设计的磁悬浮列车主要是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统 EMS(Electro Magnetic Suspension)系统。所以上海磁悬浮列车是利用异名磁极相互吸引的原理使物体悬浮的。2006年8月Active Power公司生产的飞轮磁悬浮储能直流电源系统CleanSource DC可以提供不间断的电源，满足各种应急电力需求。其原理是通过磁力使飞轮悬浮，并将飞轮在真空(无摩擦损耗环境下)高速旋转而产生的动能转化为电能输出，使用户得到稳定、可靠、清洁的应急电力供应，同时无噪音及其他污染物的产生。1.3磁悬浮技术控制方法的发展磁悬浮系统是一种复杂的非线性、不确定性系统。传统的古典控制方法有：PID控制器或相位超前控制器，但对于非线性部分可能无法达到良好的控制效果。事实上，实际的物理系统无法利用一个数学模式来完整描述其运动行为。数学模式无法准确地涵盖非模式化的动态行为、非线性的动态行为以及参数在识别时的误差等等，这些都造成受控系统的不确定性。所以目前国际上有许多学者专家都在研究磁悬浮系统的非线性控制方法。其中有采用自适应控制、鲁棒控制以及人工神经网络控制等，这些控制方法对于解决磁悬浮系统的非线性和不确定性有着很好的效果。具体而言，现在大部分的磁悬浮系统采用的主动控制电磁铁电流方法是由德国Hermankemper教授于1935年提出的，并于1938年研制了一种由轨道下方相吸式模型，气隙采用容性或感性方法检测。1.4磁悬浮技术分类磁悬浮是通过两个物体之间的磁场作用力和反作用力来实现的。从受力方式上可分为吸引式悬浮和斥力式悬浮，而根据实现悬浮的物质一般可以分为常导磁悬浮、超导磁悬浮和永磁体磁悬浮三种。常用的磁悬浮技术大致可以分为两种：电动悬浮（EDS,electro-dynamic suspension）和电磁悬浮（EMS，electro-magnetic suspension）。1.4.1 EDS电动悬浮是利用物体的相对运动而在超导线圈中感应出电流从产生电磁力而实现悬浮的。电动系统是自稳定的，无需主动控制，也无需沉重的铁芯，超导线圈中的能量消耗很少，这种方式主要应用在超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是，目前超导的实现需要比较复杂的冷却系统，然而随着低温技术的进一步发展，超导磁悬浮是极具发展潜力的方式。1.4.2 EMS电磁悬浮是通以直流电的常导线圈所产生的磁场，对铁磁材料产生的吸引力来实现悬浮的。由于这种方式的系统在本质上是不稳定的，因此需要对悬浮气隙进行闭环控制，调节线圈的电流来控制吸引力的大小，以实现被悬浮物的稳定悬浮。随着现代控制理论的发展和电子元件的高性能、低价格化，EMS方式得到了广泛的应用，目前几乎绝大部分磁悬浮技术都采用该方式。1.5磁悬浮的意义磁悬浮平台以其趣味性，生动性、新鲜感、科技性以及时代感在目前的橱窗布置，科技展示，产品呈列等方面正越来越多地受到应用，并且由于其具有很高的观赏价值，在这些方面还有很大的发展潜力。目前我国有三家博物馆分别采用磁悬浮平台作为展示项目，其中包括上海科技馆等，还有一些大型的百货商店中为了标新立异吸引顾客的眼球，也不同程度地选取磁悬浮平台布置出独具匠心的橱窗。上海作为一个国际大都会，越来越多地与国际在各个领域上接轨，申办2010世博会的成功也预示着将向全世界有更大的平台展示城市的风貌，所以磁悬浮平台应用于的展示展览业将有意想不到的收获。但是目前在国内，磁悬浮平台励磁控制系统在控制技术方面人就很不成熟，对于监测所用的传感器也普遍采用红外线，这样在展示时会有红光的出现，影响其观赏性。而利用超声波传感器又存在计算公式较复杂难以实现的困难。而且磁悬浮平台还存在动态响应差，励磁电源电流纹波大，容易引起磁悬浮平台的震动；抗干扰能力不强，可靠性差的缺点。因此在研究传感器的选择、动态响应快、可靠性高的励磁系统称为重点研究的课题。2. 磁悬浮系统的数学模型2.1电磁悬浮控制系统原理图2.2数学模型假设条件：忽略绕组漏磁通（L=0）忽略铁芯和悬浮体中的磁阻，即认为磁势全部降在气隙z（t）上。则瞬时电磁铁绕组电感为： L（z,i）=0N2A/2z(t)N 电磁铁绕组匝数，0为空气导磁系数，A为铁心截面积气息磁密为：B=m/A=T/A=Ni（t）0/2z（t）根据虚位移法可计算任何瞬时的吸引力F为：F（i，z）=2/0A=B2 A/0=0N2 A/4*i（t）/z（t） 2在电磁铁绕组的电压方程为：v（t）=Ri（t）+d/dtL（z，t）*i（t）=Ri（t）+0N2 A/2z（t） *di（t）/dt-0N2 A/2z（t）2*dz（t）/dt悬浮体在垂直方向的运动方程为:md2 z（t）/dt2=mg-F(i,z)+Fd(t), Fd(t)为干扰力。另外在悬浮平衡点（i0，z0）上有：mg=F0（i0，z0）=0 N2 A/4* i0/z02综上所述，可得电磁悬浮控制系统的数学模型为：（1） 力学方程：m d2 z（t）/dt2=mg-F(i,z)+Fd(t)（2） 电学方程：v（t）=Ri（t）+0N2 A/2z（t） *di（t）/dt-0N2 A/2z（t）2*dz（t）/dt（3） 电力学关联方程：F（i，z）=0N2 A/4*i（t）/z（t） 2（4） 平衡条件：mg=F0（i0，z0）=0 N2 A/4* i0/z02对于方程组（1）（4），在平衡点（i0，z0）利用偏微分方法线性化可得：(5) mz(t)=kzz(t)-kii(t)+ fd(t) v(t)=Ri(t)+L0i(t)- kiz(t) 其中kz=0N2 A i02/2z03 ki=0N2 A i02/2z02 L0=0N2 A/2z0kz， ki 和L0分别为气隙系数，电流系数和平衡点电感，并且有L0 kz= ki2。备注：该磁悬浮平台的气隙距离为：150300mm；磁浮平台体重力为：0.5kg；线圈的匝数为：45000安匝。2.3 1磁场的求解区域磁悬浮平台的电磁铁是圆柱形的，在任何一个通过圆柱中心轴的平面上两磁场都是相同的。应用圆柱坐标系，令对称轴和z轴重合，则磁场平行于zr平面，B=Bzez+Brer ，电流密度-，和矢量磁位A垂直于zr平面，即沿轴，J=Je。，A=Ae。因B只有两个分量，J和A只有一个分量，故情况与二维磁场相仿，可以利用二维磁场有限元软件进行计算。由于磁悬浮平台的磁场具有轴对称性，因此可以取通过对称轴的平面的一半作为求解区域。但是磁悬浮平台的磁场是开域，因此人为设定一个远离电磁铁的虚拟边界，该边界上的磁场已经很小，对内部磁场的影响可以忽略不计。下图为电磁铁zr平面上的场域。2.4工作原理简介任何瞬时电磁铁对悬浮体的吸引力F为：F（i，z）=0N2 A/4*i（t）/z（t） 2可知吸引力的大小和气隙长度的平方成反比，气隙越小，吸引力越大，气隙越大，吸引力反而越小，系统本质上是不稳定的，必须采用闭环控制。利用传感器检测悬浮体的位置，由控制器通过一定的控制算法得到控制量，控制励磁电源功率输出来调节电磁铁的电流大小，即调节电磁力，使其与悬浮体的重量相平衡，从而使悬浮体达到一种动态的平衡。3. 控制系统的设计3.1设计原理叙述如上图系统，系统会设计以监测装置，当磁浮平台在离开E形磁铁150350mm范围内进入可调节的范围而在离开E形磁铁100mm或者350mm的地方，系统会检测到后进行相应的处理。系统主要分为四个环节：传感器检测环节；前置处理器处理环节；控制器PID环节；脉冲信号发生器PWM环节及其功率放大器环节。3.2控制系统的基本结构图3.3电磁悬浮平台的机械结构3.3.1机械结构概述该机械结构就是本作品的展示平台，共分成三个部分。分别为碗状的球体支撑部分，平台升降活动部分以及底座支撑部分。3.3.2设计思想托盘平台上部碗状部分用于放置磁悬浮体，碗底相对较平坦，在碗底部分装置一按键式的开关，该开关用于控制平台升降电机的启停。平台升降活动部分由一平板，四个长螺柱，基座等构成。四个长螺柱的上端套上四个较小的套筒用于与托住碗状支撑部分的平板相连；在长螺丝头部其内部结构复杂，有两个滚子 3-1 3-2 3-3轴承(如图3-2所示)，一个用于连接两个滚子轴承和固定长的螺丝的小套筒，另一个用于连接外面的木板和固定下面的滚子轴承的外套筒；长螺丝的下端固定于四个较大的套筒内，四套筒同时固定于一平板上。在每个长螺柱的下端穿过平板分别连接一个齿轮（如图3-3所示），四个齿轮的尺寸、旋转速度、频率等各个参数均相等，即用齿轮的旋转来带动长螺柱的升降，齿轮的运转则由外联的链条(如图3-1所示)结构统一运作。这里采用套筒结构(如图3-4和3-5所示)固定的方式使得长的螺丝能在上下运动的时候不会晃动。 3-4 3-5底座支撑部分为一个盒状结构如图3-6所示。将整个磁悬浮平台球体支撑部分和平台升降活动部分构成的整体架在该盒体上。其底部尺寸的大小与连接大套筒的平板大小相匹配。为了保证稳定性，该底座选取较重的木质结构。该部分的外格是封装用的，用于安装电机。导线用于传输信号长螺丝碗状结构 3-63.3.3磁悬浮平台的工作原理当磁浮体处于稳定状态时，磁浮体与碗状的球体支撑部分分离，碗中的开关处于断开状态，并且单片机检测系统检测到的平台处于非抬升状态，此时电机平台是不工作的。当磁浮体由于某种干扰的原因向下运动时落入碗中时，磁浮球由于重力作用使按键闭合，启动电机运转，带动齿轮旋转。齿轮的旋转又带动起四个长螺丝一起旋转，于是长螺丝内部的滚子内外圈产生相对的运动，由于外面的其他装置是固定的，所以整个装置向上运动，将磁浮球向上抬起。当球体被吸引到某一个位置时，吸引力与重力相互平衡。则碗底按键不再受重力作用再次弹起。此时单片机检测系统检测到平台处于抬升位置，故控制升降台再次回到原来的非抬升位置。整个过程完成。3.4控制系统的干扰1）正常稳定工作中，外界风力，人为移动等干扰使磁悬浮体向下运动时，位置传感器测出的距离值不在系统可控范围内，即转换的电流信号超过一定的范围内，指示灯亮起，产生一控制信号切断电源，电机正转，使托盘上升，接住磁悬浮体。电路复位（各装置电路开关由单片机控制），重新启动。2）正常稳定工作中，外界风力，人为移动等干扰使磁浮球向上运动时，位置传感器测出距离不在系统可控范围内，即转换的电流信号超过一定的范围内，指示灯亮起，产生一控制信号切断励磁电流，电机正转，使托盘上升，然后通入反向电流，使磁悬浮体下落。电路复位（各装置电路开关由单片机控制），重新启动。启动运行流程图： 故障与停止流程图：检测悬浮体是否在托盘上启动电机，抬升平台距离检测使150mmd350mm运行PID调节稳定悬浮体电机正转，抬升托盘平台检测悬浮体是否触到托盘关闭PID控制，控制输入反向电流延 时初始化电机反转，托盘下降，关闭电源电机反转，托盘下降延 时YNYNNY注：由于发生故障主要会引起电流问题，所以悬浮体将会被吸到E形铁上，因此可以作为停止方式处理。3.4控制系统四个环节3.4.1悬浮气隙检测环节磁悬浮平台的初始状态为磁浮平台静止在底座上，当给电机通入电压后，点击把磁浮平台缓慢提升，同时启动在磁悬浮平台中和E形磁铁上的超声波传感器检测装置，进入第一级检测系统中。由于超声波在同一种介质中（本实验为空气），同样的温度下传播的速度是不变的，所以在相同的的发射路程和接收路程下，其在空气中的传波速度是不变的，故在传播的总时间t,所以便可得出传感器和感应物磁悬浮平台之间的距离:s（t/2）V （常温下V=344m/s）此距离s即为所要的得到的和需要控制的量，控制此量便可使的磁悬浮平台系统稳定控制。为了保证该检测环节的精度，所选用的超声波检测电路的精度达到1mm左右，用Lm1812实现该超声波传感器。具体电路如下：Lm1812的工作原理：首先在u0端上电后lm1812工作，在8号引脚中输入一个脉冲信号Tx/Rx8号口在高电平的时候为发送状态，其电流的大小为（110mA），当其为低电平的时候表示的是接受状态。通上电后振荡器L1产生的振荡输出增益。该增益送入高增益接受器，高增益接收器在5A的初级电流驱动下次级次级线圈的换能器发射超声波同时8号端口输入低电平lm1812工作在接受的状态。反射波由换能器感知将信号送2号端，同时10号脚的电容退耦，内部放大由一号脚谐振回路取出信号，送逆检测器。检测器的输出为14号引脚。17号脚的作用为滤波干扰的噪声信号。18号脚为脉冲复位环节控制110个周期的超声波信号。13号脚起电源退耦作用。11号脚对地短接是为了防止滤波噪声信号是为防止因噪声信号太强而损毁LM1812的16脚。16脚是一个CMOS的兼容逻辑输出端，读出数字信号。3.4.2前置处理器环节前置处理器处理环节（如图3-7所示）输入的信号为通过磁浮体与电机托盘的接触信号，即磁悬浮体是否已经放在托盘上。在电机上升托盘中央有一接触开关，当磁悬浮体由于重力的原因按下开关时，单片机接受到信号，启动后级处理环节，并采用LED3指示信号。 3-73.4.3.控制器PID环节当磁悬浮体满足在离开E形磁铁可控范围内（即两个门限值），单片机开始把得到的磁悬浮体的位置信号，与给定量进行比较，所得的比较结果I送入下一级的控制器。用一指示灯LED4指示信号传出。这就构成了该控制系统的第二级。将得到I的电信号输入到控制器PID中。这就构成了该控制系统的第三级。该系统控制的对象主要基于str730F(TQPF144)单片机的三环控制使速度和加速度为0，比起位移为恒定值的单环控制来说，其灵敏度更高一些，稳定性有所提高。程序流程如下图所示，利用单片机的定时，实现对检测系统的定时读取，从而可以对磁悬浮体进行实时控制。进入PID中断控制子程序后，读入给定信号，而后与检测到的位移量进行比较。再对位移信号进行一阶微分和二阶微分处理，与前面的位移比较信号叠加，控制最后的结果为0，即最终控制速度和加速度为0。初始化主程序 PID中断子程序返回相关参数计算工作读取采样值YN采样是否结束保存上次采样值启动A/D转换器PWM输出初始化设置控制参数和给定量设置中断时间常数和开中断是否结束PWM输出，清零YN是否有新的给定量NY单片机引脚图：管脚名称意义1P0.0电机反转信号，LED1亮2P0.1电机正转信号，LED2亮3P0.2磁悬浮体触到托盘开关，LED3亮4P0.3磁悬浮体进入预定距离，LED4亮7P0.4功率放大开通信号，LED5亮8P0.5系统给定信号输出，LED6亮9P0.6通反向电流信号，LED7亮42PWM1输出控制信号，触发启动功放电路43PWM2输出控制信号，触发启动功放电路44PWM3输出控制信号，触发启动功放电路45PWM4输出控制信号，触发启动功放电路71A/D4检测位移信号输入72A/D5比较给定信号输入3.4.4脉冲信号发生器PWM环节及其功率放大器环节控制器PID输出一控制量输入到PWM电路中产生一脉冲信号来启动功率放大器，用一指示灯LED指示信号进入功率放大器（如图3-8所示）中。从而将控制电流信号放大来控制E形磁铁的励磁电流，产生磁场力控制磁悬浮体的运动，电机拖盘也下降到原来位置，并且切断电源，用一指示灯LED3指示。这就构成了该控制系统的第四级。当达到稳定工作状态时，磁浮平台悬浮于离E形磁铁处。励磁线圈PWM控制信号 4-14. 励磁电源部分4.1PWM型励磁电源(如图4-1)在PWM开关型励磁电源中，电源的输出电流大小与PWM信号占空比有关，通常是占空比比越大，电流越大，而占空比是与PID控制器输出的电流给定信号Ir及电磁铁线圈中当前流过的电流有关。如果线圈中流过的电流等于给定的电流值，则占空比不变化。在稳态时，占空比为0.5。由于线圈两端的电压是在Vd和-Vd之间切换，因此会产生纹波，电流纹波的幅值大小与线圈电感、电源电压和开关频率有关。idmax=Vd/2fL，f为开关频率，L为线圈电感，Vd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。主回路采用上图的H桥式全控斩波器电路。电路能够改变电流的流向，这是因为磁浮体有可能被吸住，为使磁浮体能够下降，就需要在励磁线圈中通以反向电流。图中Us是电源电压，Uo是输出电压平均值。电路中的保护电路均采用被动吸收电路，Q1至Q4四个MOSFET开关管均采用RCD吸收电路，并再C1至C4分别串一个小电阻R2,R4,R6,R8,以抑制管子两端过高的关断电压，D2,D4,D6,D8采用肖特基二极管，以提高开关速度，降低MOSFET关断瞬间的过电压。变流器的直流电源由220v交流电源降压、二极管桥式整流和Cs滤波后直接供变流器工作。4.2磁悬浮平台励磁电源性能要求和有待解决的技术问题（1）稳定性：励磁电源必须能提供需要的电流，达到稳定悬浮。（2）响应时间：当受到外力干扰时，励磁电流必须跟踪悬浮气隙变化，并且恢复到稳态的时间要短。如果响应时间过长，则还未来得及调整电流进行控制，悬浮平台就被电磁铁吸住或坠落地面从而造成悬浮失败。（3）抗扰动性能：如此悬浮平台的固有振动、电网电压和频率的波动等。虽说磁悬浮平台励磁电源的结构要比磁悬浮列车容易的多，但是磁悬浮平台励磁电源的具体实现，特别对于大型磁悬浮平台系统来说，仍有许多技术难题有待解决：1）开关频率 开关频率越高，电流纹波越小，励磁电源的性能越好，动态响应越好，但开关损耗越大。2）电源电压 电流变化率与电源电压的关系di/dt=Vd/L，要想电流变化率大，必须提高电源电压。电源电压越高，电流纹波越大，磁悬浮平台的振动越厉害，越不容易控制；同时电源电压的提高，对功率器件的耐压水平提出了更高的要求，控制更难。注：本系统已经对以上