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永磁悬浮系统的准零功率特性与控制方法研究

冯森  
【摘要】:磁悬浮是一种非常先进和高效的非接触支撑技术,其理论集成了电磁学、力学、数学、机械动力学、控制理论等学科于一体。磁悬浮具有无摩擦和不需要润滑的特性,广泛应用于机械加工制造、汽车、航空航天、家居生活、生物工程等领域。经过长期的发展,磁悬浮技术衍生出了电磁悬浮技术、永磁悬浮技术以及电磁永磁混合悬浮技术。目前,磁悬浮技术的主流研究方向是电磁悬浮技术,其结构简单且可控性较好,但在工作过程中需要持续通电,线圈发热量较大,电能消耗过高。电磁永磁混合悬浮技术解决了电磁技术高能耗的弊端,但却增加了结构的复杂性。永磁技术虽然可控性较差,但由于其简单的结构和能耗低的特点逐渐被人们所关注。本文提出的永磁悬浮系统应用于无尘传送领域中的永磁悬浮车上,该永磁悬浮车主要应用于一些对环境要求极高的无尘车间中,避免因人工参与产生的灰尘。该永磁系统通过变磁通路径控制悬浮力,避免了悬浮物体发生吸附而无法自主恢复的问题。建立了系统动力学模型,在此基础上推导出扰动力与电流之间的准确数学关系。基于系统结构分析了负载转矩产生的原因,当电机驱动永磁体旋转过程中,永磁体与电机轴间会产生转矩,电机需要反向输入电流来抵抗这部分转矩,因为反向输入的电流很小,故系统本身就具有准零功率特性。研究了两个“F”导磁体间的相对距离对悬浮力的影响。从控制角度出发,研究系统在不同控制方法下的准零功率特性,恒定角度控制与恒定气隙控制时系统都表现出了较低的电流消耗,恒定气隙控制时气隙会达到预期的位置,这在很大程度上保证了系统稳定性。永磁体转角和悬浮气隙是该系统最重要的两个变量,因此研究系统在外加负载时角度与气隙的动态特性。根据PID控制原理和粒子群(PSO)算法,设计系统双调节控制器并优化控制器参数,进行系统抗外扰力仿真和实验。结合PSO算法和LQR方法,对比分析了恒定气隙控制、恒定角度控制、固定积分关系控制、永磁系统的双PD控制、随机积分控制,系统在外加负载下气隙和角度的权重关系。最后,研究系统双调节控制时的准零功率特性。


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