可变磁路式永磁悬浮系统线性自抗扰控制分析.pdf
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1、书书书第 卷 第 期年 月沈阳工业大学学报 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(,);国家重点研发计划项目();辽宁省教育厅项目();辽宁省“揭榜挂帅”科技重大专项()作者简介:李强(),男,河北内丘人,讲师,博士,主要从事机械系统动力学及其控制等方面的研究檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏机械工程 :可变磁路式永磁悬浮系统线性自抗扰控制分析李强,张鹏飞,赵川,徐方超,金俊杰,孙凤(沈阳工业大学 机械工程学院,沈阳 )摘要:针对可变磁路式永磁悬浮系统鲁棒性较差的问题,提出了一种基于辅助模型的改进线性自抗扰控制()方法 阐述了悬浮系统的工作原理,建立了动力学模型,设计了改进 控制器,分析比较了改
2、进 、和传统 控制效果 仿真结果表明:输入 阶跃外扰时,与传统 和 控制比较,采用改进 系统响应速度最快且无超调量;输入 外扰力时,采用改进 系统气隙变化量最小且调节时间最短;与 相比,采用 方法可提高可变磁路式永磁悬浮系统抗扰能力关键词:永磁悬浮;鲁棒性;工作原理;动力学模型;控制器;超调量;响应速度;抗扰能力中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,(),:;磁悬浮技术是利用磁力平衡物体重力,实现无接触稳定悬浮的技术 如今所使用的磁悬浮主要以电磁悬浮技术为主,在磁悬浮轴承 、磁悬浮列车 、磁悬浮电机 和磁力悬架 等多个领域内广泛使用 超导悬浮技术 主要应用于超导磁悬浮列车,分为低温
3、超导磁悬浮列车(液氦)和高温超导磁悬浮列车(液氮),我国研发的时速 磁悬浮列车就属于高温超导磁悬浮列车 与永磁悬浮技术相比,电磁悬浮技术具有需要以电力不断供给磁力以及较大能耗的缺点 我国稀土资源储备丰富,对发展永磁悬浮技术具有诸多便利 上海大学袁昆鹏等 研究设计了满足长寿命和高转速工作要求的无刷直流电机永磁轴承,并进行了力学特性分析;刘建文等 提出了一种轴流式人工心脏泵,其中叶轮转子采用两个永磁轴承提供被动支撑本文实现物体稳定悬浮的方法为电机驱动径向磁化圆柱形永磁体旋转,改变通过导磁体与悬浮物的磁通量,实现悬浮力大小的控制,使其平衡悬浮物重力进而实现悬浮 可变磁路式的永磁悬浮系统具有高阶性、强
4、非线性和时滞性的特点,实现稳定悬浮控制较为困难 目前已有较多控制方法应用在该磁悬浮系统中,如 控制器 、鲁棒控制 等,其中最常用的为 控制器,控制结构虽然简单明确,但在磁悬浮系统的抗干扰能力方面有较大的局限性 自抗扰控制也应用在一些磁悬浮系统中,但主要用于电磁悬浮中,而在永磁悬浮中大多都仅限于仿真阶段,实验成果较少自抗扰控制()是由韩京清研究员提出的,其核心思想是在尽可能不受精确的数学模型影响下,使用扩张状态观测器将整个系统包括外扰和内扰在内的集成扰动观测出来,通过设计非线性控制律将所产生的误差加以补偿,从而达到快速收敛的目的,具有较强的抗扰动能力 线性自抗扰控制方法具有不依赖精确的数学模型,
5、抗干扰能力强,参数较少,易于整定的特点,因此,本文设计的可变磁路式永磁悬浮系统采用线性自抗扰控制方法,证明了线性自抗扰控制方法具有广泛的通用性 永磁悬浮系统结构及工作原理 磁悬浮系统结构可变磁路式永磁悬浮系统的原理样机如图 所示图 永磁悬浮系统的原理样机 该永磁悬浮系统的组成结构主要包括圆柱状永磁体、“”型导磁体、传感器、悬浮物和调节千分尺 其中,圆柱状永磁体的充磁方式为径向充磁,与伺服电机通过联轴器连接;“”型导磁体处于永磁体两侧,对称分布;传感器位于悬浮物体下方,用于测量悬浮物体与导磁体之间的气隙;调节千分尺用于调节悬浮物、传感器、永磁铁和导磁体的相对位置 磁悬浮系统工作原理图 为可变磁路
6、原理图 径向磁化的永磁铁与伺服电机相连接,由伺服电机进行驱动,当永磁铁的转角为 时,永磁体的主磁通经两侧“”型导磁体全部由 极返回 极,悬浮物无主磁通经过,不产生磁力 当永磁铁转过 时,此时除了经过两侧“”型导磁体由 极返回 极主磁通外,还有部分主磁通将从 极出发,先后经过右侧“”型导磁体、悬浮物及左侧“”型导磁体返回 极,并产生一定磁力图 可变磁路原理图 数学模型建立永磁悬浮系统模型受力如图 所示 图 中,为系统平衡时的气隙,为悬浮物位移变化量,向下为正方向,为永磁体转角,为永磁体在平衡位置时的转角,为角度变化量,顺时针方向为正图 永磁悬浮系统模型图 经实验数据可得,悬浮物所受磁力均随着旋转
7、角度呈周期性变化,采用等效磁路法可求解得出磁力解析关系和永磁体转动过程中受非线性转第 期李强,等:可变磁路式永磁悬浮系统线性自抗扰控制分析矩作用的关系 推导可变磁路式永磁悬浮系统动力学方程为 ()()式中:为电机与永磁体的转动惯量;为伺服电机转矩系数;为伺服电机输入电流;为悬浮物的质量;为永磁体在回转方向上的阻尼系数;为悬浮物运动阻尼系数;为外扰力;为永磁体对悬浮物的吸引力;为永磁体受到的转矩将式()、()在平衡位置进行线性化处理,可得到最终线性化模型为 ()()()()()式中:为磁转矩系数;为磁转矩漏磁补偿系数;为悬浮力系数;为导磁体弧形漏磁补偿系数 串级 控制器设计 控制方案设计永磁悬浮
8、系统采用 控制虽然可以实现收敛,并最终达到稳定,但系统响应速度较慢,抗干扰能力较差 自抗扰控制可以在被控对象不是非常准确的情况下实现控制,并具有较好的抗干扰能力 线性自抗扰控制具有结构简单、参数整定方便、扰动跟踪性能几乎不随扰动幅度发生变化等特点,因此,本文选用线性自抗扰控制由可变磁路式永磁悬浮系统控制原理可知,如果只采用气隙闭环控制,角度变化缓慢,控制信号无法及时控制永磁体转角,加之系统本身由电流信号转换到永磁铁转角具有一定的滞后性 因此,采用双闭环控制,内环为角度闭环采用 控制器,外环为气隙闭环采用 控制器 角度环的控制目标是控制盘状永磁体的旋转角度,气隙环的控制目标是控制悬浮物的位置,使
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