大型磁悬浮地球仪控制系统的研究.doc

大型磁悬浮地球仪控制系统的研究 摘要：根据电磁学、电子学、控制理论等，对磁悬浮地球仪的工作原理进行了分析，建立了系统的线性化 数学模型，在MATLAB7.0中建立了 SIMULINK仿真模型，对电路参数进行了分析。设计了基于模拟PID 控制的电路，该电路结构简单，易于调整。系统采用电磁永磁混合支撑，用永磁铁产生的磁场代替电磁场 提供静态偏置磁场，可以减小偏置电流，从而降低系统功耗，使一个直径100cm,质最25Kg,悬浮间隙 40mm的地球仪稳定悬浮。 关键字：混合磁悬浮；霍尔传感器；模拟PID Research On Control Of Large-scale Magnetic Suspension Globe Abstract:On the basis of electromagnetics,electronics tmd controlling theories,the principle of magnetic suspension globe is analyzed, the mathematical model is constructed, simulation model is established in MATLAB7.0,and the circuit parameters were analyzed.A circuit based on analog PID control is designed,this circuit structure is simple and easy to adjust ?The system uses a hybrid permanent technology,permanent magnet is used in place of electromagnetic fields generated by magnetic field to provide a static bias magnetic ficldjhat can reduce the bias current, thereby it reduces system power consumption.So that a globe with diameter of 100cm, the quality of 25Kg, suspension 40mm is suspended stably. Key words: hybrid magnetic suspend； Hall sensor； analog PID. 0引言 随着科技的进步，人们对磁悬浮技术越来越关注，运用磁悬浮的科学原理，将地球仪在 无任何支撑的空屮悬浮，展示地球的真实状态，寓教娱乐，融知识与趣味与一体，感受高科 技产品的神奇魅力。目前，磁悬浮技术仍是世界各国研究的热点，并产生了一些代表性技术, 如磁悬浮列车和磁悬浮轴承等。磁悬浮技术是集电磁学、电了学、力学、机械学和控制理论 于一体的技术，具有精度高、非接触、消耗能量少等优点。在能源紧张的今天，研究磁悬浮 系统具有重要的意义。木文根据电磁学理论，分析了悬磁浮地球仪的丁作原理，建立了系统 的数学模型，在此基础上，设计了一个基于模拟PID控制的磁悬浮地球仪系统，本系统使一 个肓径100cm,质最25Kg,悬浮间隙40mm的地球仪稳定悬浮。川永磁铁产生的磁场代替电 磁场提供静态偏置磁场，可以减小偏置电流，从而降低系统功耗，还可以减小线圈体积，提 咼承载能力等。 1磁悬浮地球仪工作原理 磁悬浮地球仪主要组成：永磁体、铁芯、线圈、磁场传感器、功率放大器和控制器等。 结构如图1所 駆动电路控;M 駆动电路 控;M器 图1:磁悬浮地球仪结构图 工作原理：当地球仪处于平衡位置时，通过线圈绕组的电流为岛，地球仪距顶部间隙为 却，电磁吸力与永磁体的吸力和地球仪的重力相平衡。当地球仪受到一个向下的干扰力而向 下运动，传感器检测到地球仪偏离平衡位置的位移，控制器将这一信号变换成控制信号，功 率放大器又将这一控制信号转换成控制电流力因此，电磁铁吸力变大了，从而驷动地球 仪返冋到原来平衡位置。反Z,当地球仪向上运动时，控制电流变为沖6,因此，电磁铁吸 力变小了，地球仪也能返冋到原来的平衡位置。 2系统数学模型的建立 对于图1所示的地球仪在竖肓方向只考虑它受到混合磁场力和重力。对于大气隙悬浮, 只考虑均匀气隙，不考虑永磁体的内阻隙、漏磁等情况，而且认为电磁场产生的磁势完全降 落在气隙磁路上，根据参考文献【3】，以电磁线圈的电流讥丿为输入，悬浮间隙x⑵为输出, 推导出系统的数学模型： X(s) _ I(s) ms2 -kv 其中： 兀0 ，它是系统的电流刚度系数。 它是系统的位移刚度系统。 式中：X(s丿是/丿的拉式变换，