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基于模拟电路的磁悬浮控制系统

摘要：本文首先简要地介绍磁浮轴承的发展历程和国内外研究、应用状况，接着

利用电磁学、电子学和控制理论对磁悬浮的原理进行了分析，建立了系统的数学

模型。对电路参数进行分析，设计了基于模拟电路的磁悬浮控制系统。该系统采

用电磁永磁混合支持，提高了系统稳定性并降低了系统功耗。

关键词：混合磁悬浮，霍尔传感器

0引言

人类希望利用磁场力对物体进行无接触支撑的想法由来已久。20世纪初，

科学家首次在实验室利用电流的磁效应实现了物体在空中自由悬浮。然而由于磁

悬浮技术是一门涉及多种学科的综合性技术，其发展受到了多方面的制约。随着

近几十年电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论、新型电磁材料及转

子动力学的发展，磁悬浮技术才得到了长足的发展。特别是进入上世纪80年代，

超导技术首先应用于磁悬浮。超导技术与磁悬浮技术的结合，新材料，新工艺，

新器件的出现以及现代控制技术的发展，使电磁悬浮技术趋于成熟，磁悬浮技术

有精度高、非接触和消耗能量少等优点。在能源紧张的今天,研究磁悬浮系统具

有重要的实际意义。磁悬浮技术不仅可以应用于磁悬浮列车,而且在磁悬浮轴承、

磁悬浮飞轮储能、航天器与电磁炮的磁悬浮发射、磁悬浮精密平台、磁悬浮冶炼

等方面也有广泛应用。磁悬浮技术有着广阔的商业前景，适合商业应用。例如，

磁悬浮可以用于广告牌悬浮、地球仪悬浮，科技展览、沙盘展示（空中楼阁）、

悬空高档礼品等。因此，磁悬浮是一种能带动众多高新技术发展的具有广泛前景

的应用技术。基于模拟电路的磁悬浮控制系统可以用来研究电磁式磁悬浮固有的

开环不稳定性和非线性性。

1磁悬浮系统的组成及原理分析

磁悬浮旋转装置主要由永磁体、铁芯、线圈、磁场传感器、功率放大器和控制器

等组成。其结构如图a所示

–

图a磁悬浮旋转装置

此磁悬浮装置是一个可旋转的稳定存在于空间中的悬浮装置，它由一个大

型永磁体圆盘提供主要磁场，托起悬浮物。众所周知，单纯的依靠永磁体的斥力

不可能使磁悬浮物稳定存在于空间中。因此悬浮物下面的四个线圈除了起到托起

悬浮物的作用外，更主要的是通过霍尔传感器以及控制电路，对悬浮物调节，起

到使其平衡的作用。

本装置只需12V外接电源便能使悬浮物稳定工作（具体视悬浮物重量再作

调整），有效地解决了现有磁悬浮消耗功率大的特点，同时减少发热，更能推广

到一般的商业使用方面（比如可旋转悬浮广告牌等）。

当旋转装置处于平衡位置时，电磁斥力与永磁体斥力和悬浮物的重力相平

衡。

当悬浮物受到一个外界的干扰而向下或其他方向运动时，传感器检测到磁

场的变化，控制电路将这一信号变换成控制信号，功率放大器又将控制信号转换

成控制电流，从而相应的改变磁场的强度，悬浮物因此能返回到原来的平衡位置。

该系统采用的传感器是霍尔传感器3503，用它可以检测磁场及其变化，可

在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔传感

器具有很多优点，如结构牢固，体积小、寿命长安装方便，功耗小、频率高、耐

振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等。

图b系统工作流程图

2磁悬浮装置的数学模型

动力学方程：

2

dX(t)

MMgF(t)f

2磁扰（1）

dt

基尔霍夫电压定律：

ddL(X)

L(x)i(t)Ri(t)i(t)U

dtdt（2）

式中F(t)——电磁吸力f(X(t),i(t))

磁

f

——系统所受的干扰力