两级磁悬浮运动平台的悬浮与驱动控制研究

论文摘要

由于磁悬浮支撑具有无摩擦、无磨损、无需润滑、寿命长、低功耗、无噪音等优点而越来越受到重视。两级磁悬浮运动系统可实现高速高精密运动定位。为了使系统具有稳定可靠的悬浮性能和定位效果,对系统进行合理的分析并设计合适的控制电路和功率放大电路以及选择合适的驱动控制方案具有极其重要的意义。本文首先对系统电磁力控制电流进行分析,指出对控制电流的调节最少需要比例和微分两个环节,由比例控制提供的电磁力起到抵消磁浮系统位移负刚度的作用,并使系统在被矫正后具有一定的正刚度;微分控制部分提供的电磁力相当于向系统提供正阻尼,从而使系统具有足够的稳定性;同时为了使系统具有良好的动刚度,可在系统控制环节中增加积分调节,以减小系统的稳态误差。由此最终确定对系统控制电流的调节方式为PID控制。然后文章利用解析法对系统控制部分进行了分析,理论确定了系统各自由度方向的PID控制参数,并在此指导下设计了PID控制电路。功率放大电路在磁悬浮系统中作为执行环节也是影响系统性能的关键部分。为了减少系统的功率损耗和易于实现,本文设计了一种半桥式PWM型开关功率放大电路。电路的脉宽调制驱动信号在芯片TL494中产生,经隔离—驱动电路后将控制信号输入到半桥结构的逆变电路部分控制开关管的导通情况,从而实现信号的功率放大。最后将放大后的控制电流输入到电磁线圈中实现对系统悬浮部分的控制。直线电机可以直接驱动运动设备,省略了中间的机械传递机构,具有效率高、传动误差小、长行程、高速度和高精度等优点,很适合应用于磁悬浮系统的驱动,而交流永磁同步直线电机与其它类型直线电机相比又具有效率高、输出力矩大、易于控制等特点,可以极大地提高系统运动精度和快速响应性。本文选用交流永磁直线电机作为系统的驱动部件,并通过对其控制获得了良好的定位效果。文章最后对系统的实际悬浮效果和运动精度进行了多次调试,实现了系统的稳定悬浮和联合驱动并在X方向获得了较好的定位精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 磁悬浮技术研究现状
• 1.3 磁悬浮系统的悬浮和驱动控制技术发展
• 1.4 磁悬浮技术研究的意义
• 1.5 论文选题及论文的内容安排
• 1.5.1 论文选题与课题来源
• 1.5.2 论文内容安排
• 第二章 悬浮控制系统的模型分析与实现
• 2.1 系统功能及结构介绍
• 2.1.1 系统整体功能
• 2.1.2 上级悬浮部件结构
• 2.1.3 下级悬浮部件结构
• 2.1.4 系统基座和整体结构
• 2.2 系统模型分析
• 2.2.1 电磁力模型等效分析
• 2.2.2 控制电流调节方法确定
• 2.2.3 系统闭环传递函数
• 2.3 系统控制参数理论设计
• 2.3.1 系统位移刚度和电流刚度确定
• 2.3.2 系统控制参数设计
• 2.4 系统PID控制电路设计
• 2.5 系统控制部分辅助电路设计
• 2.5.1 比较电路
• 2.5.2 滤波电路
• 2.6 本章小结
• 第三章 功率放大电路设计与实现
• 3.1 系统功率放大电路方案的确定
• 3.1.1 功率放大电路类型的确定
• 3.1.2 输入—输出转换类型的确定
• 3.1.3 偏置电流的选择
• 3.2 开关功率放大电路的设计
• 3.2.1 开关功率放大电路工作原理
• 3.2.2 开关功放的控制方案选择
• 3.2.3 PWM型功率放大电路的设计
• 3.3 功放电路的实验测试
• 3.3.1 测试条件及测试设备
• 3.3.2 PWM波形发生电路测试
• 3.3.3 光电隔离—悬浮驱动电路测试
• 3.3.4 半桥式逆变电路测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 磁悬浮运动平台的驱动控制
• 4.1 直线电机的分类及特点
• 4.1.1 直线电机驱动的特点
• 4.1.2 直线电机的分类
• 4.1.3 直线电机的选型
• 4.2 直线电机的工作原理
• 4.3 直线电机的驱动控制
• 4.3.1 直线电机控制原理
• 4.3.2 直线电机控制系统
• 4.4 本章小结
• 第五章 磁悬浮系统实验与分析
• 5.1 系统整体结构
• 5.2 预期实现目标
• 5.3 系统调试效果
• 5.3.1 系统悬浮过渡过程
• 5.3.2 系统稳定悬浮效果
• 5.3.3 系统运动定位效果
• 5.4 系统测试结果分析
• 5.4.1 系统悬浮测试结果分析
• 5.4.2 系统运动测试结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果