大型磁悬浮地球仪控制系统的研究

小线圈体积 ， 提高承载能力 。
１ 磁 悬 浮 地 球 仪 工作 原 理
磁悬 浮地 球仪 主 要 由永 磁 体 、 芯 、 圈 、 铁 线 磁
２ 系统 数 学 模 型 的 建 立
对 于 图 １ 示 的地 球 仪 ， 竖 直 方 向只 考 虑 所 在 它 受 到混 合 磁 场 力 和 重 力 作 用 。对 于 大 气 隙 悬
图 １ 磁 悬 浮地 球 仪 结 构 图
球仪 的工 作原理 ， 立 了系统 的数 学模 型 ， 建 在此基
础上 ， 设计 了一 个基 于 模 拟 Ｐ Ｄ控 制 的 磁 悬 浮 Ｉ
地 球仪 偏 离平衡 位 置 的位 移 ， 制 器将 这 一 信 号 控
变换成控制信号 ， 功率放大器又将控制信号转换
中图 分 类 号 ：Ｐ １ Ｔ ３ Ｄ Ｉ１ ．９３ ｊｉ ｎ １０ Ｏ ：０ ３６ ／． ｓ．０ ７—１４ ． ００ ０ ． １ ｓ ４ Ｘ ２ １． １０ ０
运用 磁悬 浮 ¨－］ ３的科 学 原 理 ， 地 球 仪 在 无 将
任何支撑的空中悬浮， 展示地球的真实状态 ， 融知 识与趣味于一体 ， 感受高科技产 品的神奇魅力 ， 是 件有 意义 的事 情 。 目前 ， 悬 浮 技 术仍 是 世 界 磁 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 Ｈ一 。磁 悬浮 技术 是 集 等
一
电磁学 、 电子 学 、 学 、 械学 和控 制 理论 于 一 体 力 机 的技 术 ， 有 精 度 高 、 接 触 和 消耗 能量 少 等 优 具 非 点 。在 能源 紧张 的今 天 ， 究 磁 悬 浮 系统 具 有 重 研
要 意义 。笔者 根 据 电磁 学 理 论 ， 析 了悬 磁 浮 地 分
文 章 编 号 ：０ ７—１４ ２ １ ） １ ０ ３ ０ １０ ４ Ｘ（０ ０ ０ — ０ ５— ４
文献标志码 ： Ａ
大 型 磁 悬 浮 地 球 仪 控 制 系 统 的研 究
胡 业发 ， 郭建 光
（ 武汉理工大学 机 电工程学 院， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ０
摘
要： 利用 电磁 学、 电子学和控制理论对磁悬 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
３ １ 电磁线 圈 ．
式 中 ， Ⅳ［ ， ＋ ｉ］ 系 统 的 电流 刚度 ｋ＝ （ ） Ｎ 。 为
０
系统 中采用漆 包线 绕成 一个 ３４ ０匝 的励磁 ０ 线 圈 ， 圈外 面加 一个金 属罩 ， 线 起到 限制磁场 范 围 的作用 ， 其结 构 如 图 ４所 示 。其 中 电气 参 数 Ｒ＝
场传感器 、 功率放大器和控制器等组成 。其结构 如 图 １所示 。 当地球仪处 于平衡 位置时 ， 通过线 圈绕组 的
电流 为 ｉ， 。地球 仪距 顶部 间 隙为 ‰ ， 电பைடு நூலகம் 吸 力与 永
浮， 只考虑均匀气隙 ， 不考虑永磁体 的内阻隙、 漏
磁体吸力和地球仪的重力相平衡 。当地球仪受到
一
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 ， 据 参考 文 献 ［ ］ 以电磁 线 圈 的 根 ２， 电流 （） ｆ为输 入 ， 浮 间隙 （） 输 出 ， 导 出 悬 ｔ为 推
系统 的数学模 型 为 ：
个向下的干扰力而 向下运动时， 传感 器检测到
收 稿 日期 ：０９— ６— ０ ２０ ０ ３ ．
位置 。
地球仪 系统 ， 系 统 使一 个 直 径 １０ａ 质 量 ２ 该 ０ ｍ、 ５
ｋ、 ｇ悬浮间隙４ ｍ 的地球仪稳定悬浮 。用永磁 ０ｍ 铁产生 的磁 场代 替 电磁 场 提 供静 态 偏 置 磁 场 ］ ，
既可减 小偏 置 电流 ， 而 降低 系统 功耗 ， 可 以减 从 还
４ ５ ｎ ， ＝１ ９ ｍＨ。 ． Ｌ ２
系数 ； ［ ， ＋Ｎ。 为 系统 的位移 刚度 ｋ＝ （ ） ｉ］
０
系数 ； ｓ 为 （） （ ） ｔ 的拉 式 变换 ；（ ） ｉｔ 的拉 ，ｓ 为 （） 式 变换 ；。 为空 气 磁 导 率 ； ｒ ｎ为悬 浮 质 量 ； Ａ为 电
型 ， Ｍａａ ． 在 ｔ ｂ７ ０中建立 了 Ｓ ｌ ｋ仿真模型 ， 电路参数进行 了分析 。设计 了基 于模 拟 ＰＤ控制 的电路 ， ｌ ｉ ｉ ｍｕ ｎ 对 Ｉ 该 电路结构简单 ， 易于调 整。系统 采用 电磁 永磁混合支撑 ， 永磁 铁产生的磁场代替 电磁场提供静态 偏置磁场 ， 用 可减小偏置 电流 ， 而降低 系统功耗 ， 从 使一个直径 １０ｃ 质量 ２ ｇ悬浮间 隙 ４ ｍ 的地球仪 稳定悬浮。 ０ ｍ、 ５ｋ 、 ０ｍ 关键词 ： 混合磁悬 浮；霍尔传感器 ； 拟 ＰＤ 模 Ｉ
成控 制 电流 ｉ＋△ ， 。 因此 ， 电磁铁 吸 力变 大 了 ， 从 而驱 动地 球 仪 返 回到 原 来 平衡 位 置 。反 之 ， 地 当 球仪 向上 运 动 时 ， 制 电流 变 为 ｉ Ａ ， 控 。一 ｉ因此 ， 电 磁铁 吸力 变 小 了 ， 球仪 也 能 返 回到 原 来 的平 衡 地
作者简介 ： 发（ ９ １ ） 男 ， 胡业 １６ 一 ， 湖北武汉人 ， 武汉理工大学机 电工程学 院教授 ； 博士生导师
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武汉理工大学学报 － 信息与管理工程 版
２１ ００年 ２月
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３ 系 统硬 件 成 承 ‘ 瞍 什 构俄 兀
第３卷 第 １ ２ 期
２１ 年 ２ ００ 月
武 汉 理 工 大 学 学 报 ・信 息 与 管 理 工 程 版
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Ｖｏ ． １３２ Ｎｏ． １ Ｆｅ ２ ０ ｂ． ０１