淺談磁懸浮技術及控制方法

1、22淺談磁懸浮技術及控制方法11淺談磁懸浮技術淺談磁懸浮技術及控制方法及控制方法演講者孫振剛時間com電氣工程教研室電氣工程教研室2012-09-1711目錄目錄磁懸浮技術概述磁懸浮技術概述磁懸浮基本概念磁懸浮基本概念材料磁特性材料磁特性磁懸浮類別磁懸浮類別實例分析磁懸浮列車實例分析磁懸浮列車電磁懸浮系統(tǒng)的控制方法電磁懸浮系統(tǒng)的控制方法單點懸浮系統(tǒng)單點懸浮系統(tǒng)多點懸浮系統(tǒng)多點懸浮系統(tǒng)2012-09-172233一磁懸浮技術概述一磁懸浮技術概述1基本概念利用磁場力使物體沿著一個軸或幾個軸保持一定 位置的技術措施磁懸浮技術是集電磁學電子技術控制工程信號處理機械學動力學為一體的典型的機電一體化高新技

2、術2012-09-1733442材料磁特性順磁性抗磁性磁疇未磁化磁疇磁化2012-09-1755抗磁性抗磁性是一些物質(zhì)的原子中電子磁矩互相抵消合磁矩為零但是當受到外加磁場作用時電子軌道運動會發(fā)生變化而且在與外加磁場的相反方向產(chǎn)生很小的合磁矩這樣表示物質(zhì)磁性的磁化率便成為很小的負數(shù)量抗磁性是物質(zhì)抗拒外磁場的趨向因此會被磁場排斥所有物質(zhì)都具有抗磁性可是對于具有順磁性的物質(zhì)順磁性通常比較顯著遮掩了抗磁性只有純抗磁性物質(zhì)才能明顯地被觀測到抗磁性當外磁場存在時抗磁性才會表現(xiàn)出來2012-09-1766抗磁性具有抗磁性的反磁性物質(zhì)是Faraday在Earnshaw提出理論之后幾年發(fā)現(xiàn)的1872年時Lord

3、Kelvin指出反磁性物質(zhì)不需要遵守Earnshaw的理論因此反磁性物質(zhì)可以在靜磁場里浮起來然而由基本的解釋得知所有的物質(zhì)都有反磁性只是其磁性很小因此一直到1939年Braunbek才成功的利用了足夠強的磁場將小塊的石墨及鉍磁浮了起來2012-09-1777事實上如果磁場足夠大的話生物體內(nèi)水分的抗磁性都足以讓它懸浮起來2000年科學家Geim和Berry使用磁性讓一只青蛙懸浮在半空中他們因此獲得了當年的搞笑諾貝爾獎2012-09-177788超導體一般材料在溫度接近絕對零度的時候物體分子熱運動幾乎消失材料的電阻趨近于0此時稱為超導體達到超導的溫度稱為臨界溫度1911年荷蘭科學家卡末林昂內(nèi)斯He

4、ikeKamerlingh-Onnes用液氦冷卻汞當溫度下降到42K-26895C時水銀的電阻完全消失這種現(xiàn)象稱為超導電性此溫度稱為臨界溫度根據(jù)臨界溫度的不同超導材料可以被分為高溫超導材料和低溫超導材料但這里所說的高溫其實仍然是遠低于冰點0C的對一般人來說算是極低的溫度2012-09-1788991933年德國物理學家邁斯納WaltherMeissner發(fā)現(xiàn)了超導體的完全抗磁性即當超導體處于超導狀態(tài)時在外磁場H小于臨界磁場He時產(chǎn)生邁斯納效應體內(nèi)磁感應強度突變?yōu)?當把超導體放進磁場中時由于電感應作用在超導體表面形成感應電流I永久電流在超導體內(nèi)部感應電流I激發(fā)的磁場和外磁場等值反向相互抵消201

5、2-09-179910102012-09-1710101111磁懸浮陀螺磁性陀螺又稱Levitron利用陀螺的特性可以造成磁性陀螺在磁場里抗磁性一樣的性質(zhì)因此可以做到磁浮的地步此效應的發(fā)明人是RMHarrigan19831313112012-09-17111212磁懸浮類型從作用力分類吸引力排斥力2012-09-1712121313吸引力電磁鐵和鐵磁材料之間的吸引力132012-09-171414排斥力法拉第電磁感應定律交變的磁場在導體上感應出電流根據(jù)楞次定律感應電流產(chǎn)生的磁場總是傾向于抗拒引起這個感應的改變因而與源磁場之間產(chǎn)生排斥力2012-09-1714141515應用磁懸浮列車常導電式磁

6、懸浮德國為代表超導電動磁懸浮日本為代表152012-09-17151616常導電式磁懸浮ElectromagneticSuspension吸力式磁懸浮列車無論是靜止還是運動狀態(tài)都能保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)162012-09-17161717電動機的轉(zhuǎn)子布置在列車上將電動機的定子鋪設在軌道上通過轉(zhuǎn)子與定子間的相互作用將電能轉(zhuǎn)化為前進的動能當沿線分布的變電所向地面導軌兩側(cè)的驅(qū)動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時與列車的推動繞組產(chǎn)生電感應而驅(qū)動實現(xiàn)非接觸性牽引和制2012-09-17172012-09-1717171818超導電動磁懸浮ElectrodynamicSuspension2012-09-

7、1718181919超導電動磁懸浮ElectrodynamicSuspension2012-09-1719192020超導電動磁懸浮ElectrodynamicSuspension2012-09-172020212121磁懸浮列車的優(yōu)點無摩擦無機械磨損速度高常導磁懸浮可達400-500公里小時超導磁懸浮可達500-600公里小時能耗低無污染高速運行情況下列車處于懸浮狀態(tài)沒有摩擦其能耗僅為汽車的一半飛機的四分之一爬坡能力強只要加大電壓使產(chǎn)生足夠大懸浮力磁懸浮高速列車噪音低節(jié)能占地面積少這是其他陸路交通系統(tǒng)無法與之相比的這種創(chuàng)新的無接觸軌道技術帶來了極大的機動性但卻不會對環(huán)境造成負擔2012-09

8、-172122222012-09-1722222323磁懸浮列車的缺點其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運行考驗由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮導向和驅(qū)動功能的斷電后磁懸浮的安全保障措施尤其是列車停電后的制動問題仍然是要解決的問題磁懸浮技術的懸浮高度較低因此對線路的平整度路基下沉量及道岔結(jié)構方面的要求較超導技術更高造價高強磁場對人體與環(huán)境都有影響232012-09-17232424二電磁懸浮控制方法二電磁懸浮控制方法1磁懸浮的穩(wěn)定性早在1842年數(shù)學家山姆恩紹SamuelEarnshaw發(fā)表過一篇論文用數(shù)學方法證明若單靠宏觀的靜態(tài)古典電磁力磁懸浮是不可能實現(xiàn)的亦即一個受靜電場靜磁場或重力場作用

9、24的粒子在沒有物質(zhì)分布只有力場的區(qū)域是不可能處於穩(wěn)定而且平衡的狀態(tài)的后世人稱呼這項證明作恩紹大定理Earnshawstheorem恩紹定律說明如果保持一個小磁鐵始終朝一個方向那么它所受的磁場勢能是鞍形的2012-09-17242525為何不是穩(wěn)定平衡態(tài)252012-09-17252626磁懸浮陀螺的穩(wěn)定性三維的鞍形勢能在豎直方向上是穩(wěn)定的水平方向是不穩(wěn)定的但是陀螺在旋轉(zhuǎn)的時候卻能把水平方向也變成穩(wěn)定的這是因為小磁鐵的角動量磁場和大磁鐵的磁場相互作用當小磁鐵試圖向右水平移動時它的轉(zhuǎn)軸不再保持直立而是跟著當?shù)氐拇帕€稍稍向右傾斜同樣當它試圖向左水平移動時它的轉(zhuǎn)軸跟著當?shù)氐拇帕€稍稍向左傾斜正因為

10、陀螺不是始終指向同一個方向26恩紹定律就不再適用了這種情況下懸浮的陀螺磁鐵所感受到的勢能的確是一個碗狀而不是馬鞍狀的2012輸入單輸出系統(tǒng)SISO2012-09-17272828ElectromagnetPowerAmplifierLightsourceAnalog29ControlSensorIOComputerBoardMaglevballmg2829292012-09-1728ElectricalmodelElectromagneticforcemodelMechanicalmotionmodel2012-09-17293030TheKirchhoffsl

11、awcdtddiddzcdidtdzdtdidLdiddzdiddzdtdidtdzdtdzdtdt302012-09-17303131TheprincipleofelectromechanicalenergyconversionFluxFluxDBZ2BZ2Z1Z1MagnetizationcurvesiFaInputelectricalenergybStoredenergyinz1OmmfmmfFmFluxFluxcStoredenergyinBBz2Z2Z2dMechanicalworkZZ1CAAOOmmfFmmfFm2012-09-1731313232Theprincipleofel

12、ectromechanicalenergyconversiondimdFdWmdWc00mfziconstantdzdzdzdziidWddidLzidi1c00dLz2fziconstantidzdzx1zx2x1zx2dzdz2012-09-1732323333TheNewtonslawM2fzMgdt2012-09-173333x33434SupposedzvxRxvxRxdtStatespaceequationsoftheSISOmagneticlevitationsystemdx1x2dtdx2fzgdtMdx31dControllerModelingControllerModeli

13、ngdtLdz2012-09-1734343535Two-timescaleanalysismethodOuterloopInnerloopidrCurrentvPositionMLSzfForceControllerPlantThecascadedcontroldiagramofamagneticlevitationsystem2012-09-1735353636開環(huán)穩(wěn)定性分析2012-09-1736363737VariablestructurecontrolWiz1L2Li2Wiz1L2Li237HighfrequencyswitchingOrderreductionandrobustne

14、ss2012-09-17373838levitationSMCforSISOmagneticsystemMechanicalmotionmodelMFizMgdtElectromagnetforcemodelFizi0z2z2p1zpThenonlinearmotionmodeld2zt222gdt2Mp1z2012-09-17382012-09-1738383939d2z2g2g2gp2izLinearizationmodeldti0z0pz0pKinioutputuinInputvoltageequationuoutKoutzzoutvoltageequationoutauoutlbuin

15、Modelofthecontrolledsystemdt20002012-09-1739394040SpecificationsandparametersofsystemMassofthesteelball011kgaccelerationGravitational981ms-2092A0575HReferencecurrentL0atsteadystateReferenceair-gapdistanceatsteadystate00235m000315m-1Kin5893VA-1Kout-448Vm-2a0-7362s-2b016213sl050958Vs-22012-09-17404041

16、41SMCforSISOmagneticlevitationsystem-stateequationspaceSMCforSISOmagneticlevitationsystem-stateequationspaceAdoptingerroreasthestatevariationsupposex1edxt41dt2dtControllerPlantdxt2reaxtbutFtFtrtartlb2000ddtControlstructureoftheSISOmagneticlevitationsystem412012-09-174242SMCforSISOmagneticlevitations

17、ystem-SMCdesignSMCforSISOmagneticlevitationsystem-SMCdesignScx1xSlidingsurface1d2uaxcxrarlsatSSSlidingcontrollaw012200b0dt22satSSSSaturationfunction2012-09-1742424343system-stabilityanalysisSMCforSISOmagneticlevitationSMCforSISOmagneticlevitationsystem-stabilityanalysisV1S2Lyapunovfunctioncandidate2

18、Positivedefinite4343SS0dDerivativeofLyapunovfunctionNegativedefiniteSS2bfS0dsystemisstableS2bfS0The0d2012-09-17434444SMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobserverSMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobservercontrolPlantsystemSMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobserverDis

19、turbanceObserverbasedslidingmodereyControllerObserverThenewcontrolstructureoftheSISOmagneticlevitation442012-09-17444545SMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobserverSMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobserverhfKxIntermediatevariablehKaxbuarlDisturbanceobservero010dt20000o21d2uaxc

20、xrarlsatSS010d20bfSlidingcontrollawdt45b02012-09-17454646SMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobserverSMCforSISOmagneticlevitationsystem-disturbanceobserverStabilityanalysis1212Lyapunovfunctioncandidate1212PositivedefinitebKhbKf0ddo2d0o2012-09-1746464747SMCforSISOmagneticlevitationVVsystem-

21、simulationresultsSMCforSISOmagneticlevitationsystem-simulationresults5referenceresponse4withoutDOresponsewithDOtt2reference1withoutDOresponsewithDOresponseV0010100051315225times660051152253Voltageresponsecurvefd1timesVoltageresponsecurvefdsin2nt2012-09-174747474848levitationsystem-simulationresultsSMCforSISOmagneticlevitationsystem-simulationresultsSMCforSISOmagneticControllawfd1withoutDOresponsewithDOresponse546w3withoutDOresponseallwithDOresponseo-1-1005115225time-12530051152timesControllawfdsin2nt2012-09-1748484849490808SMCforSISOmagneticlevitationsystem-simulationresults1512distur