磁悬浮地球仪控制装置研究

论文摘要

磁悬浮地球仪是一种典型的机电一体化系统,其中的控制器和执行器是磁悬浮控制系统至关重要的环节。因此,本论文以磁悬浮球系统的控制器和执行器为主,对磁悬浮球控制与执行器进行了研究。介绍磁悬浮球系统工作原理、磁路定律和磁场区域产生磁力的动力学模型,然后在与传统的永磁电磁混合悬浮控制方式比较基础上,对系统的控制原理进行了数学描述,据此开发了一套磁悬浮球实验装置。在系统电路设计中,主要介绍了功率放大电路以及磁力控制电路两部分。功率放大电路中,通过对比选取了以IGBT为高频开关元件的方案,由专用的驱动器EXB840来驱动,外加过流检测,过压和过流保护电路构成了系统的功率放大电路。对驱动电路和过压、过流保护电路的要求进行了分析。磁力控制电路中,设计了系统的闭环控制方案。以霍尔传感器作为磁力采集器,LM324运算放大器构成比较放大器,将取样信号与采集信号进行差动放大的结果作为调整电路的输入。调整电路与比较放大电路构成负反馈控制系统,通过负反馈来实现将输出限定于设定的系统稳定工作域内。在此基础上,对系统的控制和功率放大部分进行了调试,分析了实验调试过程,选取了两个不同质量的球体进行实验,将实验与预期结果进行比较,分析了实验与预期结果的差异成因,并针对原设计存在的不足提出了优化方案,最后进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 磁悬浮概述
• 1.2 磁悬浮技术国内外发展和研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 磁悬浮球系统技术难点
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 磁悬浮地球仪原理及数学模型
• 2.1 磁悬浮地球仪工作原理
• 2.2 磁悬浮地球仪的数学模型
• 2.2.1 磁路定律
• 2.2.2 磁场区域产生磁力模型
• 2.3 本章小结
• 3 系统控制原理
• 3.1 系统控制方案
• 3.2 系统控制流程
• 3.3 本章小结
• 4 系统电路设计
• 4.1 系统电路设计方案
• 4.2 电源部分
• 4.3 比较放大电路
• 4.4 调整电路
• 4.5 功率放大电路
• 4.5.1 驱动及输出电路
• 4.5.2 输出电路过压保护
• 4.5.3 输出电路过流保护
• 4.6 本章小结
• 5 系统调试及结果分析
• 5.1 系统调试过程
• 5.2 实验结果分析
• 5.2.1 理论预期结果
• 5.2.2 实际实验结果
• 5.2.3 实验结果与理论预期比较
• 5.3 系统设计改进
• 5.3.1 IGBT 栅极驱动改进
• 5.3.2 驱动信号波形改进
• 5.3.3 驱动电路改进
• 5.4 本章小结
• 6 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献