（电力电子与电力传动专业论文）车载磁悬浮dsp控制系统的研究.pdf

浙江大学硕上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h en o n l i n e a rm o d e lo ft h es i n g l ep o i n te m si sf n s t l ya n a l y z e d a n d t h el i n e a l i z e dm o d e li ss t a t e d c o n t r o l l e r 析t l la i r g a pf e e d b a c ka n dc u r r e n tf e e d b a c ki s d e s i g n e d a f t e r w a r d st h es t a b l ea n dd y n a m i cr e s p o n s ei ss t u d i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t b a s e do nt h es t u d yo ft h es i n g l em a g n e te m s a ne m sc o n t r o ls y s t e ma p p l i e di n a ne x p e r i m e n t a lm a g l e vi sd e s i g n e d d e s i g no ft h es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm a i n l yi n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g n e de m sc o n t r o ls y s t e mc a l lp r o v i d es t a b l es u s p e n s i o nf o rt h em a g l e v a n d r e l i a b l ec o n t r o la n ds u r v e i l l a n c ed e s p i t eo fs e v e r ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s f i n a l l y t w ok i n d so fo p t i m i z e dc o n t r o ls y s t e mm o d e l sa l ep r o p o s e di no r d e rt o i m p r o v ei n t e r f e r e n c ei n h i b i t i n ga b i l i t y i nw h i c ha c c e l e r a t i o nf e e d b a c ka n dv e l o c i t y f e e d b a c ki si n v o l v e dr e s p e c t i v e l y t h ei n t e r f e r e n c ei n h i b i t i n ga b i l i t yo fb o t hs y s t e m m o d e l si sr e s e a r c h e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e y w o r d s e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o r e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n c o n t r o lo nt r a i n a c c e l e r a t i o nf e e d b a c k v e l o c i t y f e e d b a c k i v 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 本章首先阐述了磁悬浮技术的原理和研究现状 介绍了目前磁悬浮技术的主 要应用方向 接着介绍了以德国 日本为代表的磁悬浮列车的发展现状 以及我 国磁悬浮列车的研究情况 然后比较了e m s 型和e d s 型两种悬浮系统的控制原 理 并以e m s 型系统为重点介绍了悬浮控制技术的研究现状 最后 介绍了本 论文的主要任务和研究内容 1 1 磁悬浮技术的发展及研究现状 1 1 1 磁悬浮技术的原理及发展 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 根据实现悬浮的物质 磁悬浮分为常导磁悬浮 超导磁悬浮和永磁体悬浮三 种 所谓常导 超导和永磁体悬浮 分别是指形成悬浮力需要利用常温导体制造 的电磁铁 超导材料制造的电磁铁和永久磁铁产生的磁场 根据表1 1 i l 可以 十分清楚从两个物体之间的受力关系看到各种悬浮方式 表1 1 磁悬浮按照相互作用的物体之间的关系分类 物体 1 超导体 导磁体金属导体超导电磁铁常导电磁铁永久磁铁 物永久磁铁斥力 吸引力吸引力斥力 吸引力 斥力 吸引力斥力 吸引力 斥力 吸引力 体常导电磁铁斥力 吸引力吸引力斥力 吸引力 斥力 吸引力斥力 吸引力 2超导电磁铁斥力 吸引力吸引力斥力 吸引力 斥力 吸引力 从表1 1 看 尽管各种物体之间的悬浮力的悬浮原理各有不同 但从受力方 上都可划分为吸引力悬浮或斥力悬浮 斥力悬浮系统可以自稳定 而吸引力悬浮 需要加入主动控制 早在1 8 4 2 年 恩休 e a m s h o w 就证明 单靠永久磁铁是不能将一个电磁 铁在所有6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的 要使得铁磁体实现稳定 的磁悬浮 必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能实现 以后的 浙江大学硕上学位论文第l 章绪论 研究又证明 如果最小有一阶自由度受外部机械约束的话 强磁性物体可以用磁 力悬浮于稳定平衡状态 至此 磁悬浮理论已经发展得较为完善y t 2 j 1 9 6 5 年起 很多国家都开始集中研究磁悬浮技术 3 1 1 1 2 磁悬浮技术的应用 由于无接触的特点 磁悬浮技术具有下列优点 4 一是完全无磨损 无污染 可在真空和腐蚀性介质中长期使用 二是完全无机械摩擦 功耗小 噪声低 效 率高 不需润滑和密封 可用于高速工程 解决高速机械设计中润滑和能耗的问 题 正是磁悬浮技术的优越特点 使其在交通 冶金 机械 电器 材料等工业 领域有着广泛的应用 1 磁悬浮列车 当前磁悬浮技术研究中 最为热门的应用方向莫过于对磁悬浮列车的研制 其原理是依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向 实现列车与地 面轨道问的无机械接触 再利用线性电机驱动列车运行 与传统的轮轨火车相比 磁悬浮列车具有下列优点 5 a 适于高速运行 磁悬浮列车不存在由于轮轨摩擦及粘着所造成的诸如极 限速度等问题 其运行速度可达4 0 0 k m h 以上 b 电力驱动 不需要燃油 在运行中不排放废气 废物 环境污染很小 c 启动停车快 德国t r 0 7 磁浮列车启动5 0 秒后时速可达2 0 0 k m h 1 5 0 秒后达4 0 0 k m h 而i c e i n t e rc i t ye x p r e s s 轮轨高速在15 0 秒后只能达 到2 0 0 k m h d 稳定安全 易维护 由于采用导轨结构 提高了列车运行的安全性和可 靠性 由于没有钢轨 车轮等摩擦组件 省去了大量维修成本 2 磁悬浮轴承 磁悬浮轴承的研究是国外非常活跃的研究方向 典型对象是发电机的磁悬浮 轴承 主动式磁悬浮轴承以其无机械磨损 无噪声 寿命长 无润滑油污染等特 点而广泛应用于航空 航天 核反应堆 真空泵 超洁净环境 飞轮储能等场合 我国在这方面研究起步较晚 6 1 1 7 1 1 8 1 1 9 8 0 年清华大学开始定性研究 1 9 8 6 年哈尔 滨工业大学开始研制五维主动式磁力轴承 并获国家自然科学基金资助 1 9 9 0 2 浙江人学硕士学位论文第l 章绪论 年成功地实现了静 动态稳定悬浮 传统的磁悬浮轴承需要5 个或1 0 个非接触式位置传感器来检测转子的位移 由于传感器的存在 使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大 系统的动态性能降低 而且成本高 可靠性低 由于受结构的限制 传感器不能装在磁悬浮轴承的中间 使系统的控制方程相互耦合 导致控制器设计更为复杂 近几年 结合磁悬浮轴 承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果 诞生了一个全新的研究方向 即无传感器的磁悬浮轴承 9 它不需要设计专门的位移传感器 转子的位移是根 据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的 这类磁悬浮轴承将使转子的轴向尺寸 变小 系统的动态性能和磁悬浮轴承的可靠性得到提高 这样磁悬浮轴承的控制 器将便于设计 价格也会显著下降 3 高速磁悬浮电机 高速磁悬浮电机 b e a r i n gl e s sm o t o r s 是近年提出的一个新研究方向 l o l l 传统的电机是由定子和转子组成 定子与转子之间通过机械轴承连接 在转子运 动过程中存在机械摩擦 增加了转子的摩擦阻力 使得运动部件磨损 产生机械 振动和噪声 使运动部件发热 润滑剂性能变差 严重的会使电机气隙不均匀 绕组发热 温升增大 从而降低电机效能 最终缩短电机使用寿命 磁悬浮电机 利用定子和转子励磁磁场间 同性相斥 异性相吸 的原理使转子悬浮起来 同 时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动 它集磁悬浮轴承和电动机于一体 具 有自悬浮和驱动能力 不需要任何独立的轴承支撑 且具有体积小 临界转速高 等特点 更适合于超高速运行的场合 也适合小型乃至超小型结构 国外自9 0 年代中期开始对其进行了研究 相继出现了永磁同步型磁悬浮电机 开关磁阻型 磁悬浮电机 感应型磁悬浮电机等各种结构 磁悬浮电机的研究越来越受到重视 在生命科学领域 国外已研制成功出离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵 1 2 磁悬浮列车的研究现状 1 2 1 国内外磁悬浮列车的发展 1 9 2 2 年 德国工程师赫尔曼肯佩尔 h e r m a n nk e m p e r 提出了电磁悬浮原 理 并于1 9 3 4 年获得磁悬浮车的技术专利 d p r6 4 3 3 1 6 t 1 2 1 这构成了之后开展 3 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 的磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想 1 9 6 9 年 德国研制出第一台小型磁悬浮列车系统模型 1 3 1 9 7 7 年后德国致 力于发展常导磁悬浮技术 并以t r a n s r a p i d 简称t r 作为其高速磁悬浮铁路的 商标 经过三四十年的发展 t r 系列已经达到了商业化应用的水平 1 9 8 8 年德 国在埃姆斯兰 e m s l a n d 建成一条长31 5 k m 双闭环的t r a n s r a p i d 试验线 t v e 能够对整个磁悬浮铁路系统进行试验f 1 4 1 19 9 3 年6 月l o 日 t r 0 7 在t v e 创下 了速度达4 5 0 k r n h 的世界记录 t r 0 7 分为客车及货车 速度有3 0 0 4 0 0 5 0 0 k m h 三档 是世界上技术最先进 最成熟的e m s 型磁悬浮列车 1 5 1 9 9 5 年起 t v e 开始对公众开放试运营 1 9 9 7 年 当德国政府决定修建柏林至汉堡 全长2 8 4 k m 的磁悬浮铁路 但2 0 0 0 年因为经费预算超支而被迫停止 日本从1 9 6 2 年就开始研究新的超高速铁路 与德国不同 他们是从利用同 极性磁场互相排斥产生悬浮力开始研究的f 1 6 1 1 7 1 1 9 7 2 年日本成功的对一台名为 m l l 0 0 的超导磁悬浮试验车进行了运行测试 1 9 7 7 年日本建成运行速度可达 5 0 0 k m h 的宫崎磁悬浮试验线 1 9 9 7 年日本建成山梨磁悬浮试验线 全长1 8 4 k m 从1 9 9 7 年4 月开始进行高速磁悬浮列车的试验运行 在当年1 2 月创造了5 5 0 k m h 的高速列车世界纪录 日本第一条正式运营的磁悬浮铁路是名古屋市区通向爱知 世博会会场的磁悬浮线路 这条铁路全长约9 k m 该磁悬浮列车由3 节车厢构成 全程无入驾驶 最高时速为1 0 0 k m h 在2 0 0 5 年爱知世博会期间累计运送1 0 0 0 万乘客 在着重探索高速超导磁悬浮之外 日本还研制了低速常导磁悬浮系列 h s s t h i g hs p e e ds u r f a c et r a n s p o r t h s s t 系列是日本航空公司 j a p a na i rl i n e s 所开发的应用于城市中心与机场之间的高速交通方式 1 8 1 9 9 1 年日本建成全长 1 5 3 k m 的大江试验线 1 9 9 1 年到1 9 9 5 年间对h s s t 1 0 0 s 型磁悬浮列车进行了 1 0 0 多项面向应用要求的运行试验 最高运行速度达到1 3 0 k m h 2 0 0 1 年开始 日本又建造了一条长8 9 k m 复线结构的h s s t 低速磁浮线 东部丘陵线 1 9 1 以 h s s t 1 0 0 l 型列车为基础 于2 0 0 5 年春开始营运 设计最高速度为1 0 0 k m h 我国磁悬浮列车研究始于2 0 世纪8 0 年代 虽然起步晚 但发展很快 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 8 0 年代初国防科技大学从磁悬浮球入手探索悬球控制方法 19 8 9 年 制成了重4 0 蚝的小型磁浮模型车 1 9 9 2 年国家正式将磁悬浮列车关键技术研究 列入 八五 攻关计划 成立了磁悬浮列车 八五 攻关课题组 1 9 9 4 年l o 月 4 曲南变通大学建成了我 i 1 旨条磁悬浮铁蹄试骑线 并同i j 1 j 联磁怂浮列1 的城人 试验 1 9 9 5 年 幽防科技人学在株洲电力机个研究所的支持t 研制成台磁 转阳架 首 实现了伞尺寸卟转向架的找人运 r 海沛尔目l 场僦悬浮列车项h 是f l 界上笫一条投入商业化运营的高述雎浮线路 个k3 0 k m 引进德州 t r a n s r a p i d 系统 r2 0 0 2 年1 2 月3 1h 成功实耻r 啦线j 亘牟试j i 行 域 1 1 钆述 度4 3 0 k m h 1 2 2 磁悬浮列车的悬浮系统 磁悬浮列车的控制主嘤分为悬浮系统 推j 系统羽i 甘川系统一人部分 小意 剖见h1l 悬浮系统控制乖 方叫的吸引力或斥力使悬浮列车稳定怂浮 推进 系统产牛水 r 山向的力控制悬浮列午 j 进 导向系统枉转弯过n 1 提供m 山力 确 保删1 沿着咛轨的万向运动 n l i 的绝人部分设 这 部分的j j j 能均 磁 j i 絮 b 挠 碰悬浮 导向 削ii雠娃浮刈 的系统 成 h 前怂浮系统的戬计 儿1 分为两个方向 分刖是德阳所采用的常甘型和 l 木所采川的超导型 i i i 从悬浮技术l 讲 这浙种 浮系统做榭 为l u 磁怂泞 e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n 称e m s 系统和屯动怂浮 e l e c t r o d y n a m i c s u s p e n s i o n 简动 e d s 系统 e m s 乐统利川皆城d 流电磁铁电磁吸力的腺 山1 j 常导i u 流产牛t n 磁引力 吸引轨道f 的廿磁体 使列乍浮起 怂浮气隙人 小住1 0 m m 左卉 般采片jk 定n4 步直线i u 帆捕进 速度可达4 0 0 5 0 0 k m h 浙江大学硕十学位论文第l 章绪论 e d s 悬浮系统利用超导磁体产生的强磁场在列车运行时与布置在地面上的线圈 相互作用 产生电动斥力将列车浮起 悬浮间隙大小一般在1 0 0 m m 左右 推进 装置也是采用长定子同步直线 运行速度较高 可达5 0 0 6 0 0 k m h 两种悬浮系 统的结构见图1 2 枫 空间魉 大约 超导磁捧 着矫轮 图1 2常导型 左 和超导型 右 磁悬浮列车的结构 我国现阶段投入工程建设的磁悬浮列车都是常导型磁浮列车 属于e m s 型 悬浮系统 本文设计的磁悬浮控制系统 也是属于e m s 系统 1 2 3 悬浮控制技术的研究现状 悬浮控制技术是磁浮列车的核心和关键技术之一 2 7 1 悬浮控制系统性能的 好坏 将直接影响到磁浮列车的稳定性 安全性和舒适性 对于采用常导型系统 的列车 由于电磁吸力与悬浮间隙成反比关系 系统开环不稳定 为了达到悬浮 的稳定性 必须通过反馈系统控制电磁铁电流稳定 因此悬浮控制成为常导型磁 悬浮列车的关键技术 传统的控制方式是将非线性磁悬浮模型在平衡点处进行线性化 然后对该线 性化模型进行反馈控制 这种线性化模型在磁悬浮控制中得到了广泛应用 并己 经在工程上验证了它的实用价值 2 8 使用这种线性化方法设计的控制策略也有 其局限性 由子线性化模型是在平衡点附近得到的 因此当气隙误差增大时 将 导致控制性能下降 甚至影响系统的稳定性 针对磁悬浮系统的非线性特点 出现了许多控制方法 如模型参考自适应控 制 反馈线性化控制 增益表控制等 2 9 1 3 0 3 1 1 p k s i n h a 等提出模型参考自适应 控制来抑制电磁悬浮的非线性影响 s u n gj u nj o o 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 y o u n gc h o lk i m 等将非线性模型在一系列变化 的平衡点附近线性化 得到一系列线性化模型 根据性能指标要求 设计出对应 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 于各个线性化模型的状态反馈增益矩阵 此外 神经网络 遗传算法 3 2 滑模控制 3 3 变结构控制等控制方法也在 悬浮控制中得到了应用 也有在经典p i d 控制基础上结合其他的控制方法例如 模糊理论 自适应理论形成的模糊p i d 控制 3 4 自适应p i d 控制等 1 3 本课题研究任务和内容 悬浮系统是常导型磁悬浮列车的关键系统 磁悬浮控制技术是悬浮系统设计 的关键问题 本文将围绕磁悬浮控制技术来研究应用于常导型磁悬浮列车的车载 悬浮控制系统 主要内容如下 1 在单电磁铁模型的基础上建立线性化模型 因为磁悬浮系统的本质不稳 定性 需要闭环控制器进行稳定控制 设计了气隙和电流双环反馈的控制器 通 过仿真和实验分析研究系统的稳态和动态响应 2 在单电磁铁磁悬浮系统的控制研究基础上 对一个小型的常导型磁悬浮 试验线的车载悬浮控制系统进行工程化设计 设计的重点是多控制模块的车载悬 浮控制系统和车载悬浮通讯系统 详细介绍了系统的结构设计 软件 硬件设计 以及现场抗干扰处理方法 最后给出了系统的运行测试结果 3 为了提高悬浮系统的干扰抑制能力 从模型分析的角度提出了两种优化 的控制模型 即在原有的单电磁铁模型基础上分别加入加速度信号反馈环节和速 度信号反馈环节 给出了两种控制模型的设计方法 并通过理论分析 仿真和实 验研究了两种控制模型下的系统特性 7 浙江人学硕上学位论文第2 章磁悬浮系统建模分析 第2 章磁悬浮系统建模分析 磁悬浮列车的悬浮系统通常是多电磁铁结构 但是通过解耦 系统可以分解 为单个悬浮电磁铁的控制问题 因此单电磁铁悬浮系统是磁悬浮系统的基本单 元 其分析和综合是磁浮列车系统分析和控制的基础 2 1 单电磁铁悬浮系统线性化模型 2 1 1 单电磁悬浮系统非线性和线性化模型 单电磁铁悬浮系统模型如图2 1 所示 被吸引的悬浮体是导磁物质 理想情 况下 被吸引的悬浮体可以看作一个质点 并假定悬浮体以及电磁铁铁芯具有理 想软磁特性 认为磁场的磁力线全部通过导磁体和主气隙 没有漏磁通 那么单 电磁铁悬浮系统的数学模型就可通过力学和电学两个方面来获得 气隙 j f 一 夺 i f m 啦 y t 广 悬浮 i 一一 一一l 五1 体 图2 1单电磁铁悬浮系统 首先推导电磁系统的数学表述 在前面的假设条件下 磁路总磁阻仅为理想 的气隙磁阻 e m 等 2 t 以 式中 y 叫时刻的气隙长度 肋 空气导磁率 么一磁极面积 可以得到电磁系统等效电感 8 浙江大学硕上学位论文第2 章磁悬浮系统建模分析 地 等 丽n i n i t 筹 2 2 式中 三例卜电磁铁在其气隙为y t 时的电感 一电磁铁线圈匝数 f 渺 f 时刻电磁铁绕组中的电流 哦 磁路磁通 那么 气隙中储存的磁场能量 出d 为 既 y d j 1 三 y f 2 0 兰鱼号多若蔷皇垒 2 3 根据电磁学理论中虚位移原理和广义力的概念 电磁吸引力r 良矽为 e y f 一 o w y 一 o 一i 1i 2o d l y 2 4 y z 鲫 式 2 2 代入式 2 4 得到悬浮电磁铁吸引力公式 驰 一半鬻 2 5 式中负号代表电磁铁吸引力的方向竖直向上 根据电磁学理论和基本回路方程 电磁铁线圈的端电压u t 日h t 式给出 础 f 卅争 灭 z 导 三 夕 f 2 6 堪砸 铬 警一舒 警 其中r 是电磁铁线圈的等效直流电阻 是磁链 在没有漏磁的条件下有 瓯 于是系统可以由以下两个方程描述 a 力学方程 所夕 一l y i m g 厶 f 2 7 b 电路方程 砸m 砸 华鬻一学讹 鬻 9 浙江大学硕十学位论文第2 章磁悬浮系统建模分析 上式中石 为外界的扰动力 m 为悬浮体的质量 g 是自由落体加速度 由 于电磁悬浮系统中的电磁力r 与电磁铁电流i 气隙y 以及电磁铁本身的电压u 与电流i 之间同时存在着较为复杂的非线性关系 若用线性系统理论进行控制器 的设计 通常将非线性方程组在一个气隙平衡点附近线性化 以得到一个近似的 线性化模型 将式 2 7 2 8 在平衡点的气隙y o 和平衡点的电流f o 附近作泰勒 级数展开 并略去高阶小项 得到 瓦 y f f f 吒 y o 乇 吒 f y o 乇 o f i y 肋缈 f 竺 i 产帕 f 2 9 y i a o功 t l o 咧瞒 一警姚 訾 u o 瑶i o r a i 筹华一赞掣仁埘 础 i o r a i f 筹硝 一帮蜘 于是可以化简为如下线性方程组 jm a y f 卸y 酬f 一p o 肿 2 11 la u t r a i t l o f f 一k 夕 f 其中 乇寺压 n k y 警 筹 等n 鲁吲 但 1 2 2 以2 以2 心么儿一朋 佗 岛 锴 筹 等压 簧腼吲 厶 p o n 2 a c 万1 2 式 2 1 1 就是电磁悬浮系统的线性化模型 单电磁铁悬浮系统线性化模型的 结构由图2 2 所示 1 0 浙江大学硕十学位论文第2 章磁悬浮系统建模分析 图2 2单电磁铁悬浮系统线性化模型 分别以控制电压和外力作为输入量 气隙为输出量 可以得到以下两个系统 的传递函数 砖 盟 击 2 1 3 a u s s 3 旦s 2 一堕 p 7 l o厶朋 盟 竺二壹 易 j j 旦s 一堕 l o l o m 2 1 2 单电磁悬浮系统控制器设计 2 1 4 由式 2 5 可以看出 气隙畎力越小 电磁吸引力r 秒 0 越大 那么不控的单 电磁铁悬浮系统就不能自稳定 由图2 2 的控制框图 磁悬浮系统线性化模型不 稳定的原因正是因为存在从气隙到作用力的增益为 的正反馈 这也就是磁悬 浮系统要加入主动控制的原因 通常可以对气隙反馈做比例微分环节 p d 来实现 稳定控制 同时由于系统存在一个电磁铁的等效电感三o 使系统控制电压到产生驱动 电流有一定的滞后 为克服这一缺点 可以采用电流负反馈 图2 3 表示加入气 隙反馈环路和电流反馈环路的磁悬浮系统示意图 图2 3加入气隙反馈和电流反馈的磁悬浮系统 是电流环反馈系数 图2 4 是从电磁铁端压到电磁铁电流的控制模型 可 浙江大学硕七学位论文第2 章磁悬浮系统建模分析 写出从电磁铁端压到电磁铁电流的传递函数 l 尝 j 掣 2 1 5 u 刍 s l r 如果 远大于电磁铁内阻r 式 2 1 5 可以简化为常数1 引入电流负反 馈后 电流环可以简化为一个比例环节 本文的设计中取k c 1 0 0 0 图2 4电流反馈模型 于是系统可以由三阶近似降低为二阶 便于按照经典方法设计控制系统 磁 悬浮系统的二阶简化模型如图2 5 b 所示 a 电流反馈环路简化前的模型 b 电流反馈环路简化后的模型 图2 5带气隙反馈和电流反馈的磁悬浮系统模型 图中岛为气隙控制器的直流校准系数 饰和肠分别为气隙控制器的比例系 数和微分系数 对气隙反馈采用改进p d 方式 跟标准的p d 控制方式拥有完全 一样的系统开环传递函数 琏的作用是调整参考值的大小 以保证闭环系统的 直流增益为一 系统的闭环传递函数为 1 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章磁悬浮系统建模分析 a y k l k k c m 广墨2 忐 局 岛弦 去 群t 一砖 2 缎什砰 其中 编和f 分别为系统的自然振荡频率和阻尼系数 f 南 髟圳么q 2 1 6 2 1 7 2 1 8 根据式 2 1 6 闭环系统的直流增益为 币k忑 kgko万 2 1 9 2 历忑万 2 1 9 由上式可以看出 k o 与肋无关 即闭环系统的直流增益仅仅取决于控制器的参 数晦 琏和 因此设计好的控制器在任何气隙下工作 系统都是可以没有气 隙静差的 以下对线性系统的仿真结果可以验证这一点 一般来说 阻尼系数c 取0 5 1 0 之间以获得较好的跟踪精度 自然振荡频 率纯则根据系统期望设计的频带宽度来确定 根据i t a e 标准 取 o 7 0 7 以 取得较小的超调量和较短的调整时间 为了抑制实际系统中如5 0 h z 工频干扰和 钢板谐振等低频干扰 取a l i 1 0 h z 6 2 8 r a d s 设计的控制器通过超将直流增 益肠校准为一 可以得到一个一元三次的方程组 q 2 f 南 吃 毛 么 2 2 0 k 番岳 这个方程组中有三个未知量岛 肠 如 因此具有唯一一组解 这个解就是设 计的悬浮控制器参数 1 3 2 2 单电磁悬浮系统模型仿真 2 2 1 单电磁悬浮系统参数选取 h2 6 是本蹬 扛l t l 磁悬浮实验址百 的 悭型仿真的系统参数也址j 于这个装借1 电磁铁 l 圈i 钢板 罾 h i 装置地 斟 h 26啦f u 幢i 怂汀立 j 盘挫h 小心q 丈端装霄i l 的悬浮体是块k 山休条形制板 曲个思泞 u 磷铁分别吲一芷n 点 撑机架的眄个端点 俐扳受到i u 磁吸引力镍浮丁水平位胃埘 可以认为每个i u 磁铁挺 洲i 当丁钢板1 2 唯力的悬浮力 这样叫以将每个f i j 磁铁和l 彪币址的侧 扳看成是个单 u 磁悬浮系统进行研究 实验装 i t 所他川i j 钢板足 j 见表2 1 钢晌童心股圾7r 5 1 旷k g m 5 那么 钢板浊质量为2 08 k g 1 2 叶勺制板质嚣为m 1 04 k g 轭2ix 2 浮制扳的尺寸 l 7 4 t c m 4 洲 h r f k g 镪扳 so7 0 实验装置中的i u 磁铁采用的足标准的e 型硅俐 l u 磁铁的具体尺 j 见图 2 7 采川硅钢片町以大大降低铁芯中的涡流 弦目枉柑 的气隙k 艘f 提供桐 浙江大学硕士学位论文 第2 章磁悬浮系统建模分析 同的吸浮力的情况下 e 型磁芯的电磁铁的尺寸 体积 自身重量 损耗机绕组 电流密度都要小于u 型磁芯的电磁铁 3 5 1 o 5 图2 7电磁铁尺寸及铁芯参数 单位 n u n 线圈绕组绕在e 型电磁铁的中柱上 则e 型电磁铁的磁极面积可视为等于 中柱截面积 电磁铁及铁芯相关参数见表2 2 表2 2电磁铁及铁芯参数 绕组匝数n铁芯截面积a绕组电阻r 2 5 lo 0 0 1 8 5 m 20 5q 根据设计的气隙平衡点 可以求出磁悬浮系统相应的模型参数 见表2 3 表2 3 不同气隙下的磁悬浮系统线性化模型参数 y m m 23456789 i o a 3 4 2 15 1 3 2 6 8 4 28 5 5 31 0 2 6 31 1 9 7 41 3 6 8 41 3 3 9 5 妖a m 5 9 5 8 73 9 7 2 42 9 7 9 32 3 8 3 51 9 8 6 21 7 0 2 51 4 8 9 71 3 2 4 l k y n m 1 0 1 9 e 56 7 9 5 e 45 0 9 6 e a4 0 7 7 e 43 3 9 8 e 42 9 1 2 e 42 5 4 8 e 42 2 6 5 e 4 l o h 0 0 3 50 0 2 3 o 0 1 7 o 0 1 40 0 1 2 9 9 5 3 e 38 7 0 9 e 3 7 7 4 l e 3 由式 2 1 2 南 毛 l o 三个系统参数均与气隙平衡点成反比关系 上表中的 数据显示了这种结果 可见 在不同的悬浮气隙条件下 系统的线性化模型是不 同的 这反映出系统的非线性 一个气隙下的线性化模型在线性化平衡点附近和 非线性模型是符合的 但在其他气隙位置上就不能反映实际情况了 常导型磁悬浮列车的悬浮气隙一般在1 0 m m 左右 对于本实验系统 取悬浮 气隙为8 m m 根据式 2 2 0 q j 的方程式 可计算得到气隙控制器的参数 i k 2 7 5 3 5 4 2 k p 4 4 6 4 1 0 3 2 2 1 l 髟 6 1 9 8 4 浙i i 学顶上学位论业托2 审磁悬浮系统硅模分析 在以下的设计中 将线性化模型下以8 m m 气隙为平衡点设计的控制器简称为 8 n u n 控制器 其余控制器类推 8 m m 控制器系统的频率特性见图2 8 经过超 前补偿 系统直流增益大大增加 十h 位裕度由零增人到5 0 0 至6 0 之1 1 j 从不稳 定系统变成稳定系统 1 0 t 3 0 口 一4 0 署一1 1 0 一1 8 0 2 5 0 2 0 5 4 一8 8 辱一l 2 2 一ls 6 一1 9 h d 一 0 1i1 0 0 0 1 0 3 l 1 0 4 0 111 01 0 0 1 1 0 3i 1 0 4 h z 刨2 88 m m 控制器系统频牢特性 实线 开环的磁悬浮被控系统 虚线 带气隙反馈平 电流反坝的控制系统 2 2 2 单电磁悬浮系统模型仿真分析 由单电磁悬浮系统的电磁方程和力学方程 在气隙i f 衡点处作线性化处理 得到陶2 5 的线性化模型 在甲衡位置附近可以较好的反映磁悬浮系统的特性 存m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真工具库平台上建立如图2 9 所示的仿真模型 可以在这个模型基础上研究磁悬浮系统的特性 1 6 q 29 h i u 随铁吐 线陀化 i 4 s i m u i n k 仿真结构 1 稳忐特m 阿2 1 0 巾给 j 2 r a m 5 m m 8 m m 控制擀系统的稳志2 i 隙输 波形 a l2 柠制j 器 c 8 r a m 控制器 幽21 0 稳态气隙输 仿真站玳 j 川 庄列罔足再个控制器扯其平衡 的气荣输出 右列幽芷符个控制嚣往非 平衡一 的气隙辅 从波形 束看 7l 隙输出 o 气隙给 吻合榭报好 对j 个 确定的控制器 无论气隙给 是多少 都 以实现无静差输 这也啦l j ij 式 21 9 的意义 线性化饪 口别蚪乐统的山流j 航 气隙 r 衡点的火小厄灭 1 nj 仪仪取决 控制器的参皴k k 和 凶此改训好晌控制器n f 肼 7l 隙给定fi f i 系 统都足i f 以史现尤静蔓的 l 隙输 h 2 动态特陀 o 足以8 m m 控制措为恻 o 摔sr 系统的气隙给 e 发 l 阶跃变化叫的气隙叫 戍 t o5 秒以m 系统的l 作气隙分川为2 m m 4 m m 6 m m 和9 m m 并l 托 达到稳态 to5 秒时 7l 隙给定发t lrlj 度小 l j f n 阶跃变化 使给定值达到该控 制器吐计的7l 隙 r 衡t i 州8 m m c 14 m m 8 m mn 12 m m 8 r a m h i 8 m m 控i i 0 器系统的气隙骑玎仿真 果 从上图的备条 应曲线水石 它们的超渊砖 lj 响学 十问庄小 d 阶跃输入 变 化范m 小人 超州世在25 7 上川 啊枢时 化lo o m s l l o m s 之n u i 山l 二竹的j 5 2 汁 知 橄川 d 系数争07 0 7 和f i 然振荡频率6 28 r a d s 那么线性化 阶系统的动态悱能指标i 爿整时n l j i 乖i 超州请o 叮由以f 公式求卅 0 m h 镕z第2 m 怂口系统蛙模行w i 7 0 i 所咀扯控 i 0 器f 班 i 张处 系统的动忐性能足符介殴 要求的 3 扰动叫心 耍际的磁怂浮7 嵌霄m 融浮过程c l i 器汀体 柏川能会受剑外水力的f f 1 击 磁 怂浮控制系统埘 扰助的抑制能j j 是衡 其 世浮稳定惟的争要札 准 扫 21 小1 丫对币巾磁懋浮系统建幔的过程i c 已经考虑丁扰动力 h29 的仉 真模型r h 南舰足驻们嘤 j 八的扰动山 祖 t o5 秒之 m 系统l 作n 气隙平衙 点 并已进入稳忐 r lr 产o5 秒时而 牛个阶跃扰动 方向谁 向h 与r n 磁 引力方向圳r d 这个阶跃扰动的稳忐值凡小定义为凡 罔2 1 2 胜小丁n 取四组 不i4 值i i f 系统的1 1 电 m 圈 圈 a 2 n n n 托制器 f 8 m m 控制嚣 h 212 系统构扰功j n n v 仿n 绡粜 波形uj 见 肘r2 m m 5 r a m 8 r a m个 卒制器乐统 i i 然 态1 作7l 隙 不问 似足仵棚 的扰动力r 气味的 啊应堑木毁 刘应凡从i o n 刮4 0 n 的 业型 竺 型 型 型塑 瓤纰的假 趣调蛀船在42 46 之f r 3 调整时 l i 在t t o m s 右 在榍l 1 的扰 0 j d s 个控制器系统的气 l c 门变化幅度出壁小棚 什j l 随着扰功力的 增人 l 隙变比的幅度也随 曾人 这晚 螂系统帕抗扰动抑剖能力较芹 受至u 的 扰动艟凡 7l 嗽偏 蓦设定i 作点n 7 l 幅度也越人 2 3 实验结果 懂蛉i 使用f b 涡流 忙移传j 出器抢测电磁铁到钠板上m 的气隙 水文所使用 的0 1 9 0 0 刑电涡沭j 位移传感器的生耍技术指 l 挺2 4 列i i i 在24o d9 0 0 伽u 涡流式化穆1 0 出器i 口 术 日怕 i 攒j i 1 1 线 雅 i i ih i l l x 艟膻 频率1 1 t v 11 钿t 03 2 v i m m 为 使吱验结粜盟圳 自硼 对十所使川的气隙f 感雠特刖进行了输m 特降测 试 洲试结粜址h2 1 3 午 f 作 l 豫8 r a m 附近 此传感器铂着良蚶的线性 止 敏度约为0 3 35 v i n m 托 i g r a m 7l 隙刈心的输i 1 1 l u 压删柑值为27 0 v 一5 至 至 霎z 塾 0 二 231o67 8910i i12 l 障f m m 一1 l m7 一 m f u j i i t l 叫21 3o d 9 0 0j 7 u 涡流 忙栉传膊器的输j i l 特比 电流传感器乐川l a 5 5 一p 啦霍尔电流传 蓐器 儿测 t 频率 兜 柏艘岛 体积 小 搬适合应用十本实验 l 体技术指标见表2 5 丧25l a 5 5 p 掣推 l u 流传 出器陆能参数 l 弃 l m 输入 蜥l州l t 轩确膛 线e 腰响j 州 f 叫 a l j 削口宽1 u 潞 u 1 ls o q 15 i l p d c 2 0 0 k i k 动态性能 系统稳j t 怂浮在护i 衡点气隙 存进入稳态后的某时刻 使 t 隙给定突变 为砹定的甲衡 i 气隙 规察系统的 l 应隋抛 蚓2 1 4 显示了8 m m 控川器系统许 l 隙给定阶跃f 的刊应 i 已 0 一二j i 眵每 i 堂惘忡 蚋聊侧 i 嵌 o引 知 乙 驻三 嚼矧 争跏嗍i f f 埘i f 甲 1 一 1 i c 4 m m l m m fd 12 m m 寺8 m m l d 2148 m m i l i i 嚣r 系统的阶跃 l m 输出吱舱波彤 擘 f r l 阶一球浮l b m 吱i u 流 2 5 0 m s d l v 从j 一斟的各条 h 应曲线术看 气隙给一t 阶跃越人 动态 h 应越差 表2 6 给 丁 r i i 等祭什r 实验和仿真的动态 匕标刘比 见 寅验结粜尤论从超调最还 足调整l l j i e i jr 都劣 j 仿真结果 这l m 足i 川为圳论计算的控制器参数足基j 在l 作平撕r li 线性化的系统栈 儿 靶26 气隙阶跹实驰和仿真的捌志指杯对比 趔闹l ir h 带刚川f f m s 7 l 衙距i i n m t 讧 正螗仿 嘛 25 2 扰动响应 mg r a m 倒一j 器系统中 l 八大小从1 0 n 州4 0 n 不等的扰动力 n 2158 m m 控制器f 系统的扰动 删缸实转波彤 l q 中广 浆 怂浮l u 越铁 u 流 r 2 5 0 m d i v 2 2 季麟翥一翥围慝 浙江大学硕士学位论文 第2 章磁悬浮系统建模分析 图2 1 5 显示了系统对于扰动的响应情况 局表示扰动力的数值 需要说明 的是 当扰动力增大到4 0 n 钢板被完全吸起 气隙输出几乎为零 从波形上可 以看出 随着扰动力的增大 气隙变化的幅度也随之增大 这点与仿真波形相吻 合 表2 7 给出了同等条件下 实验和仿真的动态指标对比 可见 实验结果无 论从超调量还是调整时间上都劣于仿真结果 这可能是因为理论计算的控制器参 数是基于在工作平衡点上线性化的系统模型 表2 7 扰动实验和仿真的动态指标 超调量 调整时间t s m s 扰动力 n 仿真实验仿真实验 1 04 2 7 4 3 0 1 0 0 2 2 5 2 04 2 7 2 5 4 1 0 03 4 0 3 04 0 4 4 0 1 0 53 9 5 4 04 6 1 1 0 2 4 本章小结 本章首先介绍单电磁铁磁悬浮系统的模型 由于单电磁铁系统的本质不稳定 性 需要对气隙进行反馈补偿 因此设计了带气隙反馈和电流反馈的双环控制器 介绍了气隙控制器和电流控制器参数的设计方法 在m a t l a b 软件中对线性化 模型进行仿真 研究了系统对稳态 动态以及扰动的响应情况 最后进行实验 实现了单电磁铁系统的稳定悬浮 并对系统的动态特性 扰动响应做了初步分析 浙江大学硕上学位论文 第3 章应用于磁浮试验线的车载通讯系统设计 第3 章应用于磁浮试验线的车载通讯系统设计 在上一章单电磁铁磁悬浮系统研究的基础上 本章将介绍一个小型的常导型 磁悬浮试验线系统的工程化设计 本设计中的磁悬浮试验线是一条长2 8 0 米的环 线 参与测试的磁悬浮试验列车具有一个单体车厢 长约2 5 米 高约l 米 重 约1 6 吨 照片见附录 本磁悬浮试验系统由三个部分组成 1 悬浮系统 悬浮系统主要指车载的悬浮控制系统 由悬浮电磁铁 控制 模块和被检测导轨面组成 悬浮电磁铁在常导型磁浮列车中作为长定子直线同步 电动机的转子 与定子相互作用产生悬浮力和推进力 控制模块检测悬浮电磁铁 与导轨面之间的气隙 进行p i d 运算 输出p w m 信号 通过斩波器控制悬浮电 磁铁的直流励磁电流 实现对气隙和悬浮力的调节 从而使列车稳定地悬浮在期 望的位置 悬浮系统实现列车在垂直方向上的稳定悬浮 是磁悬浮列车最关键的 控制系统 2 运行控制系统 运行控制系统主要指地面监控总台 无线电台和车载悬 浮通讯系统及其相互问的通讯 本试验系统中运控系统的作用是通过通讯使控制 人员能够远程控制列车 控制列车的起浮 降落等运行状态 对列车的运行状态 进行数据采集和信号监控 并对列车的故障信息进行记录和分级报警 运行控制 系统是列车安全可靠运行必不可少的控制系统 3 牵引供电系统 牵引供电系统主要由供电 变流 馈电电缆 直线电机 长定子绕组等部分组成 是直线电机电力拖动控制系统的功率部分 本试验系统 中牵引供电系统的功能主要有 在运行控制系统的控制下 将输入的3 8 0 v 三相 交流电电压变压变频为磁浮列车长定子绕组的牵引电源 根据列车运行情况控制 定子段的开通和关断 提高电能利用效率 将轨道旁定位系统获取的列车位置信 息实时反馈回运控系统 磁悬浮试验线系统设计的关键是包括八个控制模块的车载悬浮控制系统和 车载悬浮通讯系统 本章将介绍着重介绍车载悬浮通讯系统的结构 软件 硬件 以及现场抗干扰设计 并给出在设计的车载悬浮通讯系统控制下 磁悬浮列车的 运行测试结果 浙江大学硕上学位论文 第3 章应用于磁浮试验线的车载通讯系统设计 3 1 车载控制系统结构 3 1 1 车载悬浮控制系统结构 酬 l 一垦e 粤孙 图3 1一个悬浮控制单元的结构 一个控制模块的组成主要包括以下部分 1 传感器 传感器模块包括气隙传感器和电流传感器 本设计使用o d 9 0 0 型电涡流位 移传感器 其主要技术指标见表2 4 输出特性见图2 1 3 工程中将安装在悬浮 电磁铁旁 检测电磁铁与定子轨道间的气隙值 使用l a 5 5 p 型霍尔电流传感器 检测悬浮电磁铁的电流 其主要技术指标见表2 5 将检测到的电流信号和气隙 信号经过信号滤波和调理 送入控制器进行p i d 运算 2 控制器 本设计采用数字控制 使用d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制器 1 m s 3 2 0 x 2 8l x 美国德州仪器公司 t e x a si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t i o n 简称t i 公司 推出的新一 代3 2 位定点数字信号处理器 最高主频率达1 5 0 m h z 集成了1 2 8 k 的1 6 位f l a s h 存储器 8 k 的1 6 位的s a r a m 2 个时间管理器 1 6 通道1 2 位的a d c 3 个 外部中断 3 个3 2 位的c p u 定时器 具有强大的数据处理和控制功能 此外 2 8 1 2 还具有很强的外围通讯能力 包括s p i s c i s m c b s p 等串行接口和一个 浙江大学硕十学位论文第3 章应用于磁浮试验线的车载通讯系统设计 增强型c a n 控制模块 3 6 1 对于本设计存在多个控制模块 并且需要借由通讯实现自动控制的系统 采 用数字控制的好处是显而易见的 数字控制集成功能强大 可以大大简化硬件电 路 通用性强 可以在几乎不改变硬件的情况下 通