磁悬浮球系统的鲁棒控制研究

【摘要】：磁悬浮是利用电磁力克服重力，使物体保持悬浮的一种技术。磁悬浮系统具有无接触、无摩擦等优点，所以磁悬浮技术有着广阔的应用前景。磁悬浮球系统结构比较简单，其研究成果可以直接应用到多自由度磁悬浮系统中。而且，磁悬浮球系统的开环不稳定性及非线性增加了系统控制的难度，使其成为验证各类控制算法的试金石。所以，对磁悬浮系统的研究具有很重要的现实意义和理论价值。 论文对磁悬浮球系统进行了理论和实验研究。首先介绍了磁悬浮球系统的系统结构组成及其工作原理，根据磁悬浮球系统的工作原理设计了一套实验台，根据该系统的电磁学方程、电学方程、平衡方程和动力学方程建立了数学模型。在平衡点处进行了线性化处理，得到系统的线性模型，并进行拉普拉斯变换得到系统的传递函数。由开环传递函数可知系统有一个极点是正的，因此，磁悬浮球系统本身是不稳定的。为了实现磁悬浮球系统的稳定控制，必须对位置进行闭环反馈控制。由于系统都存在不确定性及各种外部扰动，系统模型是不确定的，本文对该系统进行了磁悬浮球系统的鲁棒控制的研究。通过合理选择加权函数设计了H混合灵敏度控制器，为便于工程实现，对H控制器进行了降阶处理。设计了基于英飞凌XE164FN单片机的磁悬浮球控制系统。实现了磁悬浮球系统的稳定控制，并对实验结果进行了详细分析，实验结果表明所设计的控制器是可行的。 本文还进行了磁悬浮球系统的执行器/传感器一体化设计方法的研究。由于位置传感器的存在，使系统的动态性能降低，可靠性降低，并且传感器的灵敏度、工作点和分辨率等易受环境等外部因素的影响，导致系统鲁棒性较差。一体化设计可以减小磁悬浮系统的尺寸，提高系统的可靠性，降低磁悬浮系统成本。一体化设计的难点是无传感器位置估计技术。分析了位置估计方法的原理，即线圈电感与气隙大小有关，而且线圈的电感又与线圈的电压和电流有关。位置估计法的关键是在线圈电流中产生一个连续的扰动，本文通过采用PWM控制的桥式电路中产生的开关纹波来进行位置估计。根据法拉第电磁感应定律由电磁铁线圈电感与电压和电流的关系，建立了基于最小二乘法估计位置的数学模型。然后设计了基于英飞凌XE164FN单片机的一体化设计的磁悬浮球系统。实验结果验证了基于最小二乘法的位置估计方法的有效性。