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磁悬浮系统模型理论分析
项目名称 物体悬浮演示仪的研制
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学号 专业班级
指导教师 职称
E-mail
申请日期______2013年04月04日 ____
起止年月 2013.4~2014.4
中国石油大学(北京)
磁悬浮系统模型理论分析
1.课题背景
利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦。但实现起来并不容易。因为磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术(高新技术)。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展,磁悬浮技术得到了长足的发展。目前国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注,国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。
2.研究目的
①磁悬浮的工作原理和演示仪的演示
②熟悉磁悬浮球控制系统的工作原理。
③分析磁悬浮球控制系统的稳定性。
3.模型建立与理论分析
磁悬浮系统的基本结构
磁悬浮控制系统主要由铁心、线圈、传感器、控制器、功率放大器及其控制对象刚体等元件组成。系统结构如图3-1所示。
图3-1 磁悬浮系统结构图
Figure3-1 Structure diagram of magnetic levitation system
磁悬浮系统的工作原理
磁悬浮系统是利用电磁力来控制刚体悬浮的空间位置。其工作原理是控制电磁铁绕组的电流,产生与刚体重量等价的电磁力,使得刚体稳定悬浮在平衡位置。由于电磁力与悬浮气隙间存在非线性反比关系,这种平衡并不稳定,一旦受到外界干扰(如电压脉动或者风),刚体就会掉下来或被吸上去,因此必须实行闭环控制。采用位置传感器在线获取刚体位置信号,控制器对位移信号进行处理产生控制信号,功率放大器根据控制信号产生所需电流并送往电磁铁,电磁铁产生相应磁力克服重力使得刚体稳定在平衡点附近。当刚体受到干扰向下运动时,刚体与电磁铁的距离增大,传感器所敏感的光强增大,其输出电压增大,经过功率放大器处理后,使得电磁铁控制绕组的控制电流增大,电磁力增大,刚体被吸回平衡位置。反之亦然。
磁悬浮系统的动力学模型
刚体运动方程
刚体受力情况如图3-2所示,图中表示刚体所受得重力,表示线圈通电时刚体所受的电磁力,表示系统所受的干扰力,表示刚体与参考平面的距离,表示电磁铁与参考平面的距离,表示电磁铁与刚体之间的距离,取向上为正。
图3-2 刚体受力示意图
Figure3-2 Schematic diagram of strained rigid body
根据牛顿第二定律,可得刚体的运动方程:
(3-1)
电磁力模型
电磁铁与刚体构成磁路,磁路的磁阻主要集中在两者间的气隙上,其中有效气隙磁阻可表示为
(3-2)
式中为空气的导磁率,;S为电磁铁的极面积;x为导轨与磁极表面的瞬时间隙。
由磁路的基尔霍夫定理可知
(3-3)
式中N为电磁铁线圈匝数,i为电磁绕组中的瞬时电流,为铁心磁通。
将式(3-2)代入式(3-3),可得铁心磁通为
(3-4)
当电磁铁工作在非饱和状态时,电磁铁的磁链
(3-5)
另外,电磁力可由与它磁场同能量的关系表示为
(3-6)
式中为磁能能量,并且
(3-7)
将式(3.5)代入式(3.7),再代入式(3.6),可得电磁力为
(3-8)
令,则有
(3-9)
由式子(3-9)可知,电磁吸引力F与气隙x成非线性的反比关系,这正是磁悬浮系统不稳定的根源。
绕组回路的电学方程
根据电磁感应定律,可知电磁铁绕组回路的电压与电流的关系为
(3-10)
式中为绕组中的瞬时电感,可表示为
(3-11)
将式(3-4)代入式(3-11)可得
(3-12)
再将式(
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