磁悬浮系统的设计及实验研究

论文摘要

磁悬浮的作用是利用电磁力克服物体的重力,使物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或几轴保持固定位置不变,悬浮体和支撑之间没有任何接触。因而克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限制,系统具有无磨损、无需润滑、无污染、无噪声、寿命长以及安全可靠等一系列优点。建立在麦克斯韦方程基础上的磁力机械设计理论和方法已有很好的应用。磁悬浮系统的设计涉及到电磁场理论、结构力学、电力电子技术、自动控制原理、传感器及检测技术等,本文通过对电磁悬浮系统性能特点的研究,分析其各组成模块——励磁系统、功率放大系统、传感器系统和控制器的设计方法和特点。随后,以一个单自由度磁悬浮球系统为例,在建立其数学模型的基础上,以模块化设计为原则,采用数字化设计方法,完成了磁场构建、控制系统设计并制作了实验模型。论文以制作的单自由度磁悬浮球系统为平台,完成了励磁系统吸力特性以及传感器系统磁场分布等参数测试实验。对力特性的测试实验结果进行分析,得出了励磁系统吸力-电流特性和吸力-位移特性。对传感器系统磁场分布的数据分析,找出了传感器最佳安装位置。最后根据磁悬浮控制系统的特点,基于PID控制方式,编制了控制程序并采用实验跟踪测试结果的参数整定方法,实现了单自由度目标物体的稳定悬浮。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮技术分类及特点
• 1.2 磁悬浮技术的发展及研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 应用研究
• 1.3 课题的提出及论文的主要内容
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 论文的主要内容
• 第二章 电磁场理论基础及其设计方法
• 2.1 电磁场理论基础
• 2.1.1 磁场中的基本物理量
• 2.1.2 物质的磁性能
• 2.1.3 铁磁性材料的基本特性
• 2.1.4 麦克斯韦方程组
• 2.2 电磁场计算方法
• 2.2.1 电磁场的磁路计算方法
• 2.2.2 电磁场的解析计算方法
• 2.2.3 电磁场的数值计算方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 单自由度磁悬浮系统的设计
• 3.1 磁浮球系统的数学模型
• 3.1.1 磁场强度计算
• 3.1.2 磁力计算
• 3.2 磁悬浮系统各组成部分的设计要求及特点
• 3.2.1 励磁系统设计方法
• 3.2.2 功放放大电路
• 3.2.3 磁悬浮系统的传感器
• 3.2.4 磁悬浮控制系统特点
• 3.3 单自由度磁悬浮系统的设计
• 3.3.1 励磁系统设计
• 3.3.2 功率放大电路设计
• 3.3.3 单自由度磁悬浮系统传感器系统设计
• 3.3.4 单自由度磁浮球系统控制器设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 单自由度磁悬浮系统的实验
• 4.1 单自由度磁悬浮系统的物理实验
• 4.1.1 电磁铁实验测试方法研究
• 4.2 单自由度磁悬浮系统的分析
• 4.2.1 励磁系统吸力特性实验分析
• 4.2.2 传感器系统特性实验分析
• 4.3 单自由度磁悬浮控制系统策略
• 4.3.1 PID 控制器原理
• 4.3.2 PID 参数整定
• 4.4 控制系统程序编制
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间所做的项目