磁悬浮球控制系统

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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
北京交通大学硕上毕业论文
磁悬浮球控制系统
摘要
随着磁悬浮列车和磁悬浮轴承的发展， 人们逐渐对磁悬浮系统有 了更深的认识，但这些磁悬浮系统都是以磁悬浮球为研究基础的。 本论文主要完成Ｐ Ｄ Ｆ 控制方法在电磁悬浮系统中的应用以及直径 为１ ． ５ ｍ 磁悬浮球的结构设计。从磁悬浮球实验入手， 进一步验证Ｐ Ｄ Ｆ
发展方向， 德国和日 本等国家在这方面己经取得了重要进展， 磁悬浮
列车技术开始走向实用阶段。 另外， 在磁力轴承、 磁悬浮天平、 磁悬 浮高速电 机及相关技术应用也都得到了 发展， 国 外己 经开发出这类高
技术的产品并且己经进入市场。 磁悬浮技术不仅在电气等工业领域得
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北京交通大学硕士毕业论文
术迅速崛起，引起各国投入大量的人力、物力、进行研究开发。
妇． ２ 磁悬浮技术研究的 意义［ ［ ２ ｌ
磁悬浮由 于其无接触的特点， 避免了物体之间的摩擦和磨损， 能
延长设备的使用寿命，改善设备的运行条什，因而在交通、冶金、 机
械、电器、 材料等各个方面有着广阔的应用前景。 高速磁悬浮列车以 其在技术、 经济和环保方面的独特优势被认为是２ １ 世纪的交通工具的
［ Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ］ ： Ｐ ｓ ｅ ｕ ｄ ｏ － Ｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｆ ｅ ｅ ｄ ｂ ａ ｃ ｋ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ，
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评估，取得了令人满意的结果． １ ９ ９ ７ 年４ 月３ 日建成的山梨试验线长
１ ８ ． Ｕ 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， 试验速
度己 超过５ ５ ０ ｋ ｍ ／ ｈ ， 德国的埃姆斯兰特试验线型时速４ ５ ０ ｋ ｍ ／ ｈ 的磁悬浮列车。 在取得一系列研究和实验结果后， １ ９ ９ ０
ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｏ ｐ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ ｔ ｏ ｋ ｎ ｏ ｗ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｂ ｕ ｔ ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ ｂ ａ ｌ ｌ ｉ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
磁悬浮球控制系统
到厂泛应用， 而且在生命科学领域也开始得到应用， 充分显示了磁悬
浮技术在国民 经济发展和人们生活质量提高方面具有广阔的 发展前
景。在我国，磁悬浮技术的研究是从８ ０ 年代初开始的，日前已掌握了
磁悬浮列车技术。 进行高速磁悬浮列车这类课题的研究耗资巨 大， 在
日前国内情况下不能采取国外以试验为主的研究方法， 主要从理论上
果证明Ｐ Ｄ Ｆ 控制是一种具有响应速度快、控制稳定性好和鲁棒性强等 优点的控制方法， 在这些方面要优于传统的控制方法，在磁悬浮领
域具有一定的应用前途。 在结构设计部分， 本文对磁悬浮球支撑架和球体内机构部分进行 了有限元分析和优化设计，以达到我们所需的结构强度和其他要求。
〔 关键词」
Ｐ Ｄ Ｆ 控制、电磁悬浮、鲁棒性、 结构设计、有限元分析
ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｍ ｅ ｏ ｎ ｅ ｅ ｌ ｓ ｅ ， ｗ ｅ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｔ ｆ ｗ ａ ｒ ｅ ｏ ｎ Ｆ Ｅ Ｍ ｔ ｏ ｄ ｅ ａ ｌ ｗ ｉ ｔ ｈ
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目 前国外在磁悬浮方面的研究工作主要集中在磁悬浮列车方面
进展最快，己 从实验研究阶段转向 试验运行阶段。 在日 本，己 建成多 条常导和超导型试验线路。其中大江试验线长１ ． ５ ３ ｋ ｍ ． Ｈ Ｓ Ｓ Ｔ － １ ０ 叮 氏 速
磁悬浮列车于１ ９ ９ １ 年１ 月开始在该线上进行了为期２ 年的系统测试和
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控制的实用性和在磁悬浮系统中的应用前景， 进一步优化磁悬浮球的
结构设计。
在控制部分， 本文在先完成建立被控对象数学模型的基础上， 利
用“ 根轨迹法”和 “ 根结构理论”，设计出Ｐ Ｄ Ｆ 控制器，设计和制造 出实验所需的电磁铁和悬浮装置， 最后完成模拟控制电路的设计和调
试。 并从理论和实验两个方面对这种控制方法进行多方面的分析， 结
进行研究， 在此基础上进行模拟实验， 为我国实际应用磁悬浮技术提
供理论依据。 进行磁悬浮其它应用技术的 研究， 可以实现学科间的交 叉、 渗透， 推动磁悬浮高技术产品的开发与应用， 因 此具有十分重要
的理论意义和现实意义。
＇ １ ． ３磁 悬 浮的 应 用［ １ １ ［ Ｚ Ｉ ３ ｌ
＇ １ ． ３ ． １ 磁悬浮列车
磁悬浮球控制系统
明翰机场到市区的低速常导型磁悬浮列车实用线路。 日 本研制的高速
年日 本开始建造速度为５ ０ ０ ｋ ｍ ／ ｈ ， 长４ ８ ． ２ ｋ ｍ 的超导磁悬浮列车线路。 德
国则在２ ０ ０ ５ 年可以建成柏林与汉堡之间２ ８ ４ ｋ ｍ 的常导型磁悬浮列车正 式运营线路，其速度为４ ２ ０ ｋ ｍ ／ ｈ 。英国早在８ ０ 年代中期就己建成从伯
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北京交通大学硕 ｒ 毕业论文
ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｐ ｒ ｏ ｍ ｉ ｓ ｅ ｉ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ． Ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ｉ ｍ ｐ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ， ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｏ ｕ ｒ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｅ ｒ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ
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北京交通大学硕士毕业论文
磁悬 浮球 控 制 系 统
第一章 绪论
＇ １ ． １ 磁悬浮 技术的 发 展与 现状川
磁悬浮技术的发展始于上世纪， 恩思霍斯发现了 抗磁物体可以 在
磁场中自由悬浮，此现象于１ ９ ３ ９ 年由 布鲁贝克进行了严格的理论证 明。 以 后的研究又证明， 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， 磁悬浮理论己 经
发展得较为完善了。 但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开 展。 近年来， 磁悬浮技术得到了迅速发展， 并得到越来越广泛的应用。 从高速磁轴承到高速悬浮列车， 以及大气隙的风洞磁悬浮模型， 这些 都是很有前途的应用领域。由 于现代科学技术的发展， 如传感器、 控 制技术（ 尤其是数字控制技术） 、 低温和高温超导技术， 使得磁悬浮技
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北京交通大学硕士毕业论文
磁悬 浮球 控制 系统
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ