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排斥式磁悬浮系统磁阵的设计与试验研究

余玲  
【摘要】:在当今的磁悬浮技术领域,吸引式磁悬浮技术已经比较成熟,比如磁悬浮列车以及电磁轴承等。排斥式磁悬浮技术是磁悬浮领域的另一个重要分支,相比于吸引式磁悬浮技术而言,它的结构特点使其更有利于应用在纳米加工和半导体制造等领域。但由于技术难题,特别是磁阵的设计以及控制,使得能完全实现六自由度运动的排斥式磁悬浮系统还处于研究阶段。因此,对排斥式磁悬浮系统的磁阵进行设计和试验,具有重要的理论意义和现实价值。 本论文课题在分析磁悬浮技术的类型和原理以及研究现状和发展趋势的基础上,设计了一种排斥式磁悬浮系统的磁阵排列方式,包括固定装置的磁阵排列和悬浮体的磁阵排列,分析了整个排斥式磁悬浮系统的工作原理和磁阵的磁场分布。制作了排斥式磁悬浮系统磁阵的试验模型并简化了固定装置磁阵排列方式,其中固定装置的磁阵中包含有永磁体部分和电磁永磁混合单体。根据对磁阵试验模型的数学建模,开发了排斥式磁悬浮闭环控制系统,制作了控制系统硬件电路,完成了对排斥式磁悬浮系统的单自由度控制。 控制系统硬件电路以PIC16F877A作为测控核心,主要由倾角传感器采集模块、IGBT驱动模块和串行通讯模块等模块组成。通过采集倾角传感器的信号来确定磁悬浮系统的悬浮体的工作位置状态,采用模糊PID算法计算,控制输出不同的PWM信号,从而改变电磁线圈两端的电压来对悬浮体的工作位置状态进行调整。控制系统的软件程序,主要包括A/D转换模块、模糊PID算法模块、PWM输出模块和串行通讯模块。 从控制系统各个功能模块的试验可看出,数据采集、PWM输出和IGBT的驱动都能够达到设计要求。对控制系统进行整体试验表明,悬浮体在单方向的倾斜角度可以通过电压调节(实质上是改变通电线圈的电流)来进行调整,从悬浮体的调节过程和其他各定位倾角的试验数据可看出,整体试验结果基本能够满足预设的要求,实现了对排斥式磁悬浮系统的单自由度控制。


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