磁浮小车悬浮控制技术研究

论文摘要

悬浮控制技术是磁浮列车的关键技术。采用电流反馈的悬浮控制方法能够解决悬浮控制问题,但参数稳定范围较小、闭环系统频带较宽。采用磁通反馈的悬浮控制方法能够改善上述问题,本文综合电流反馈和磁通反馈两种悬浮控制方法,围绕一种磁通-电流联合内环反馈的悬浮控制方法展开研究,这种方法使系统调试方便,鲁棒性较好。着重进行以下方面的工作:首先,对磁浮小车单点悬浮模型进行分析,建立基于磁通-电流联合反馈的单点悬浮控制系统模型,对控制系统模型的反馈环节进行分析可知若电流反馈系数选择合适,可以减弱调节电流时给系统带来的影响,进而提高系统的鲁棒性。设计基于磁通-电流联合内环反馈的悬浮控制方法,该方法中内环为磁通-电流联合内环,外环为间隙环,采用PID控制。对模型进行仿真,仿真结果表明:使用磁通-电流联合内环反馈的控制方法能够实现磁浮小车的稳定悬浮。然后,对悬浮系统软开关斩波器的设计与应用进行研究。传统的硬开关斩波器开关损耗较大、电磁兼容性较差,应用软开关技术能够改善上述两点问题。文中先介绍软开关斩波器的主电路结构及工作原理,然后讨论如何选取软开关关键参数,其次对主开关管的开通时刻问题进行理论分析,最后针对磁浮小车的需求搭建软开关斩波器并进行实验,实验结果表明,在开通时刻合适的前提下,主开关管开通瞬间CE两端电压为零,能够实现主开关管的软开通,且电源纹波较小。软开关技术的应用减小了开关损耗、改善了电磁兼容性。最后,搭建磁浮小车控制系统平台,介绍实验系统的组成及各部分的功能,介绍磁通传感器的设计,文中采用将测量线圈与电磁铁励磁线圈绕在同一铁芯的方式,这种安装方式不破坏系统原有磁路,且磁通传感器的稳定性和安全性有所保证。然后完成驱动信号、电流信号、磁通信号、间隙信号等关键信号的测试。最后进行磁浮小车悬浮实验,实验结果表明,采用磁通-电流内环联合反馈的悬浮控制方法能够使小车稳定悬浮,小车能够在1.8m轨道上平稳移动,悬浮效果良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁浮列车分类和主要特点
• 1.2 磁浮列车悬浮控制系统的组成结构及工作原理
• 1.3 磁浮列车悬浮控制关键技术及其研究现状
• 1.3.1 悬浮控制算法的研究现状
• 1.3.2 软开关悬浮斩波器的研究现状
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 磁浮小车系统建模与控制算法设计
• 2.1 磁浮小车系统建模
• 2.1.1 以位置、速度和电流量为状态变量的线性模型
• 2.1.2 以位置、速度和磁通量为状态变量的线性模型
• 2.2 磁浮小车模型的控制特性分析
• 2.2.1 稳定性分析
• 2.2.2 能观性分析
• 2.2.3 能控性分析
• 2.3 基于两种反馈方式的小车模型分析
• 2.3.1 基于电流反馈方法的小车模型分析
• 2.3.2 基于磁通反馈方法的小车模型分析
• 2.4 磁通-电流联合内环反馈的控制算法设计与仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 磁浮小车系统斩波器的设计与应用
• 3.1 硬开关软开关介绍
• 3.1.1 硬开关与软开关
• 3.1.2 硬开关的工作特性
• 3.1.3 软开关的工作特性和实现策略
• 3.2 磁浮小车斩波器主电路分析
• 3.2.1 传统型悬浮斩波器主电路分析
• 3.2.2 二象限零转换型软开关斩波器主电路分析
• 3.3 软开关主要参数的选取
• 3.3.1 谐振电容Cr的选取
• 3.3.2 谐振电感Lr的选取
• 3.4 软开关实验
• 3.4.1 支撑电容的加入对电源谐振情况的影响
• 3.4.2 软开关对斩波尖峰的影响
• 3.4.3 主开关管下管CE两端软开通实验
• 3.4.4 主开关管不同开通时间的波形
• 3.5 本章小结
• 第四章 磁浮小车的悬浮控制实验研究
• 4.1 实验系统组成及功能简介
• 4.2 磁通传感器的设计与应用
• 4.3 关键部件及信号测试
• 4.3.1 驱动信号的测试
• 4.3.2 斩波器测试
• 4.3.3 电流信号测试
• 4.3.4 磁通信号测试
• 4.4 悬浮控制实验
• 4.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果