永磁电磁混合悬浮系统吸死防护研究

论文摘要

永磁电磁混合磁浮系统作为一种新型磁悬浮系统,相比于常规EMS磁浮系统,可以显著提高承载能力,同时又能降低悬浮功耗、改善传感器工作环境。但是,加入永久磁铁后的混合悬浮系统更为复杂,尤其是吸死问题更加突出,已经成为制约永磁电磁混合悬浮技术发展的关键问题之一。本文主要针对吸死问题展开研究,目的在于分析吸死发生的原因,寻找吸死防护的解决方案,为永磁电磁混合悬浮系统的磁铁设计、悬浮控制算法设计及硬件设计提供参考。通过与常导悬浮系统对比研究,本文认为吸死发生的根本原因是在吸死间隙处零电流条件下,永久磁铁产生的力大于重力,对此,本文从磁铁设计、控制算法设计和硬件设计三个角度研究解决方法。在基于磁铁设计的吸死防护方案中,本文提出了在永磁电磁混合型悬浮磁铁的设计中加入吸死防护约束,据此计算出了一套磁铁参数。对所设计磁铁的有限元计算结果表明,最终设计的磁铁满足系统悬浮性能指标和吸死防护要求。在基于控制算法的吸死防护方案中,在分析了引发单点系统吸死的各种故障的基础上,本文分别以永磁电磁混合悬浮双转向架试验系统的单点悬浮系统和搭接结构为对象进行吸死防护控制的研究。针对单点悬浮系统,主要研究了吸死趋势的判定问题,得到了吸死临界条件,设计了强跟踪滤波器,解决了实际系统中吸死趋势判定所需状态信息的获取问题。针对搭接结构,提出了基于切换策略的控制方法,研究了搭接结构中两个单点悬浮系统之间的功能冗余,设计了切换控制律,保证一个单点系统故障时搭接结构的系统稳定性和动态性能。仿真和实验结果表明,所设计的控制算法达到了吸死防护的要求。最后,本文对系统关键部件进行了硬件设计,以提高系统硬件可靠性,为控制算法的实现提供硬件平台,并在此基础上进行了吸死防护的实验研究,以验证本文设计的控制算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 磁浮列车发展概况
• 1.1.2 发展永磁电磁混合悬浮技术的重要意义
• 1.1.3 永磁电磁混合悬浮技术的研究现状
• 1.2 吸死防护研究的重要意义与研究现状
• 1.2.1 吸死防护研究的重要意义
• 1.2.2 吸死防护的研究现状
• 1.3 本文内容安排
• 第二章 基于磁铁设计的吸死防护研究
• 2.1 混合悬浮系统的数学模型
• 2.2 混合磁铁设计
• 2.2.1 永久磁铁性能参数的选择
• 2.2.2 磁铁结构参数设计
• 2.2.3 混合磁铁设计约束条件的综合分析
• 2.3 混合磁铁的有限元计算和分析
• 2.3.1 模型参数设定
• 2.3.2 有限元仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于单点悬浮控制系统的吸死防护研究
• 3.1 单点悬浮系统吸死故障诱因分析
• 3.1.1 单点悬浮控制系统故障分析
• 3.1.2 基于单点悬浮系统故障的吸死防护分析
• 3.2 混合悬浮系统吸死趋势判定依据
• 3.2.1 列车吸死趋势判定依据分析
• 3.2.2 列车静止悬浮时的吸死趋势判定依据
• 3.2.3 混合悬浮系统运行状态的吸死趋势判定依据
• 3.2.4 与现有吸死趋势判定依据的比较
• 3.3 基于强跟踪滤波器的观测器设计
• 3.3.1 强跟踪滤波器基本思想
• 3.3.2 强跟踪滤波器设计
• 3.3.3 强跟踪滤波器仿真验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于切换控制的吸死防护研究
• 4.1 搭接结构中吸死防护的方案分析
• 4.2 切换控制策略概述
• 4.3 切换控制策略在防吸死控制中的应用
• 4.3.1 切换策略在吸死防护中的应用分析
• 4.3.2 故障前的模型分析
• 4.3.3 故障后的模型分析及控制器设计
• 4.3.4 切换控制方案及其稳定性分析
• 4.4 切换控制策略仿真分析和实验研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 吸死防护的硬件实现及实验研究
• 5.1 吸死防护的硬件实现
• 5.1.1 控制器的吸死防护设计
• 5.1.2 斩波器的吸死防护设计
• 5.2 吸死防护实验研究
• 5.2.1 单点悬浮系统吸死防护实验
• 5.2.2 搭接结构的吸死防护实验研究
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果