浅谈磁悬浮技术及控制方法11浅谈磁悬浮技术浅谈磁悬浮技术及控制方法及控制方法演讲者孙振刚时间com电气工程教研室电气工程教研室2012-09-17 1 122目录目录磁悬浮技术概述磁悬浮技术概述磁悬浮基本概念磁悬浮基本概念材料磁特性材料磁特性磁悬浮类别磁悬浮类别实例分析磁悬浮列车实例分析磁悬浮列车电磁悬浮系统的控制方法电磁悬浮系统的控制方法单点悬浮系统单点悬浮系统多点悬浮系统多点悬浮系统2012-09-17 2 233一磁悬浮技术概述一磁悬浮技术概述1 基本概念利用磁场力使物体沿着一个轴或几个轴保持一定位置的技术措施磁悬浮技术是集电磁学电子技术控制工程信号处理机械学动力学为一体的典型的机电一体化高新技术2012-09-17 3 3442 材料磁特性顺磁性抗磁性磁畴未磁化磁畴磁化2012-09-17 4 455抗磁性抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消合磁矩为零但是当受到外加磁场作用时电子轨道运动会发生变化而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数量抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向因此会被磁场排斥所有物质都具有抗磁性可是对于具有顺磁性的物质顺磁性通常比较显著遮掩了抗磁性只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性当外磁场存在时抗磁性才会表现出来2012-09-17 5566抗磁性具有抗磁性的反磁性物质是Faraday在Earnshaw提出理论之后几年发现的 1872年时LordKelvin指出反磁性物质不需要遵守Earnshaw的理论因此反磁性物质可以在静磁场里浮起来然而由基本的解释得知所有的物质都有反磁性只是其磁性很小因此一直到1939年Braunbek才成功的利用了足够强的磁场将小块的石墨及铋磁浮了起来2012-09-17 6 677事实上如果磁场足够大的话生物体内水分的抗磁性都足以让它悬浮起来2000年科学家Geim和Berry使用磁性让一只青蛙悬浮在半空中他们因此获得了当年的搞笑诺贝尔奖2012-09-17 7 788超导体一般材料在温度接近绝对零度的时候物体分子热运动几乎消失材料的电阻趋近于0此时称为超导体达到超导的温度称为临界温度1911 年荷兰科学家卡末林昂内斯 HeikeKamerlingh-Onnes 用液氦冷却汞当温度下降到42K－26895℃时水银的电阻完全消失这种现象称为超导电性此温度称为临界温度根据临界温度的不同超导材料可以被分为高温超导材料和低温超导材料但这里所说的「高温」其实仍然是远低于冰点0℃的对一般人来说算是极低的温度2012-09-17 8 8991933年德国物理学家迈斯纳Walther Meissner发现了超导体的完全抗磁性即当超导体处于超导状态时在外磁场H小于临界磁场Hc时产生迈斯纳效应体内磁感应强度突变为0当把超导体放进磁场中时由于电感应作用在超导体表面形成感应电流I永久电流在超导体内部感应电流I激发的磁场和外磁场等值反向相互抵消2012-09-17 9 910102012-09-17 10101111磁悬浮陀螺磁性陀螺又称Levitron 利用陀螺的特性可以造成磁性陀螺在磁场里抗磁性一样的性质因此可以做到磁浮的地步此效应的发明人是RM Harrigan 19832012-09-17 11 1112123 磁悬浮类型从作用力分类吸引力排斥力2012-09-17 12 121313吸引力电磁铁和铁磁材料之间的吸引力2012-09-17 13 131414排斥力法拉第电磁感应定律交变的磁场在导体上感应出电流根据楞次定律感应电流产生的磁场总是倾向于抗拒引起这个感应的改变因而与源磁场之间产生排斥力2012-09-17 14 1415154 应用磁悬浮列车常导电式磁悬浮德国为代表超导电动磁悬浮日本为代表2012-09-17 15151616常导电式磁悬浮Electromagnetic Suspension吸力式磁悬浮列车无论是静止还是运动状态都能保持稳定悬浮状态2012-09-17 16 161717电动机的转子布置在列车上将电动机的定子铺设在轨道上通过转子与定子间的相互作用将电能转化为前进的动能当沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时与列车的推动绕组产生电感应而驱动实现非接触性牵引和制动2012-09-17 17 171818超导电动磁悬浮Electrodynamic Suspension2012-09-1718 181919超导电动磁悬浮Electrodynamic Suspension2012-09-1719 192020超导电动磁悬浮Electrodynamic Suspension2012-09-1720 202121磁悬浮列车的优点1 无摩擦无机械磨损2 速度高常导磁悬浮可达400-500公里小时超导磁悬浮可达500-600公里小时3 能耗低无污染高速运行情况下列车处于悬浮状态没有摩擦其能耗仅为汽车的一半飞机的四分之一4 爬坡能力强只要加大电压使产生足够大悬浮力5 磁悬浮高速列车噪音低节能占地面积少这是其他陆路交通系统无法与之相比的这种创新的无接触轨道技术带来了极大的机动性但却不会对环境造成负担2012-09-17 21 2122222012-09-17 22222323磁悬浮列车的缺点1 其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验2 由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮导向和驱动功能的断电后磁悬浮的安全保障措施尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题3 磁悬浮技术的悬浮高度较低因此对线路的平整度路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高4 造价高5 强磁场对人体与环境都有影响2012-09-17 23 232424二电磁悬浮控制方法二电磁悬浮控制方法1 磁悬浮的稳定性早在1842年数学家山姆·恩绍 SamuelEarnshaw 发表过一篇论文用数学方法证明若单靠宏观的静态古典电磁力磁悬浮是不可能实现的亦即一个受静电场静磁场或重力场作用的粒子在没有物质分布只有力场的区域是不可能处於稳定而且平衡的状态的后世人称呼这项证明作恩绍大定理 Earnshaws theorem恩绍定律说明如果保持一个小磁铁始终朝一个方向那么它所受的磁场势能是鞍形的2012-09-17 24 242525为何不是稳定平衡态2012-09-17 25 252626磁悬浮陀螺的稳定性三维的鞍形势能在竖直方向上是稳定的水平方向是不稳定的但是陀螺在旋转的时候却能把水平方向也变成稳定的这是因为小磁铁的角动量磁场和大磁铁的磁场相互作用当小磁铁试图向右水平移动时它的转轴不再保持直立而是跟着当地的磁力线稍稍向右倾斜同样当它试图向左水平移动时它的转轴跟着当地的磁力线稍稍向左倾斜正因为陀螺不是始终指向同一个方向恩绍定律就不再适用了这种情况下悬浮的陀螺磁铁所感受到的势能的确是一个碗状而不是马鞍状的2012-09-17 26 2627272 单输入单输出系统SISO2012-09-17 27 272828ElectromagnetPowerUAmplifierF ZLight sourceAnalogControlSensor IOComputerBoardMaglev ballmg2012-09-17 28 282929Electrical modelElectromagnetic force modelMechanical motion model2012-09-17 29 293030The Kirchhoffs lawdv R ic dtd di d dzv R ic di dt dz dtdi dL di d dz di d dzv R i L i R i Lcc idt di dt dz dt dt dz dt2012-09-17 30 303131The principle of electromechanical energy conversionFlux FluxD B Z2 D B Z2Z1 Z1 Magnetization curvesC A C Aa Input electricalenergyb Stored energy inz1O mmf F m O mmf F mFlux Flux c Stored energy inB B z2Z2 Z2D Dd Mechanical workZ 1 Z 1C A C AO Ommf F m mmf F m2012-09-1731313232The principle of electromechanical energy conversioni Fd di d m dFdWm dWc0 0 mf z i cons tan tdz dzdz dziidW d did L z idi 1c 00 dL z 2f z i cons tant idz dzdz 2 dz2012-09-17 32 323333The Newtons lawd 2 zM 2 f z Mgdt2012-09-17 33 333434Suppose dzx1 z x2 x3 iState space equations of the SISO magneticlevitation systemdx1x2dtdx2 fzgdt Mdx3 1 dv x R x3dt L dzi2012-09-17 34 343535Two-time scaleanalysis methodOuter loopInner loopridPosition f Force Current v MLS zController Modeling Controller Plantz z iThe cascaded control diagram of a magneticlevitation system2012-09-1735 353636开环稳定性分析2012-09-17 36 363737Variable structure controlHigh frequency switchingOrder reduction and robustness2012-09-17 37 373838SMC for SISO magnetic levitationsystemMechanical motion modeld 2 z tM F i z M g2dtElectromagnet force modelW i z 1 L 2 L i 2F i z i 02 z 2 z 2p 1z pThe nonlinear motion modeld 2 z t 2L i2 2 gdt 2Mp 1z p2012-09-17 38 383939d 2 z 2g 2g 2gp2 i z Linearization modeldt i0 z0 p z0 puin Kini Input voltage equationuout Kout z zout outputvoltage equation2d uout a uout l b uin Model ofthe controlled systemdt2 0 0 02012-09-17 39 394040Specifications and parameters ofsystemMass of the steel ball 011kgGravitational acceleration 981ms-2Reference air-gap distance at steady state 00235mReference current at steady state 092AL0 0575Hp 000315m-1Kin 5893VA-1Kout -448Vm-2a0 -7362s-2b016213sl0 50958Vs-22012-09-17 40 404141SMC for SISO magnetic levitation system--state spaceequationSMC for SISO magnetic levitation system--state spaceequationAdopting error e as the statevariation suppose x1 ef dx t1x tdt 2dx t2r e u y a x t b u t F tController Plant dt 0 1 0_d 2f tF t r t a r t l b2 0 0 0 ddtb f t0 dControl structure of the SISO magnetic levitation system2012-09-17 41 414242SMC for SISO magnetic levitation system--SMC designSMC for SISO magnetic levitation system--SMC designS cx1 x 2 Sliding surface1 d 2u a x cx r a r l sat S SSliding control law0 1 2 2 0 0b0 dt1 Ssat S S SSaturation function1 S2012-09-17 42 424343SMC for SISO magnetic levitationsystem--stability analysisSMC for SISO magnetic levitationsystem--stability analysisV 1 S 2 Lyapunov function candidate2Positive definite2V SS S S b f S0 d Derivative of Lyapunov functionNegative definiteS S 2 b f S0 dS 2 b f S 0 Thesystem is stable0 d2012-09-17 43 434444SMC for SISO magnetic levitation system--disturbance observerSMC for SISO magnetic levitation system--disturbance observerDisturbance Observer based sliding modecontrolf dr e u yController PlantfObserverThe new control structure of the SISO magnetic levitationsystem2012-09-1744 444545SMC for SISO magnetic levitationsystem--disturbance observerSMC for SISO magnetic levitationsystem--disturbance observerh f K x Intermediate variabled o 22d rh K a x b u a r l b h b K x Disturbance observero 0 1 0 dt2 0 0 00 o 21 d 2u a x cx r a r l sat S Sb f Sliding control law0 1 2 2 0 0 0 db0 dt2012-09-17 45 454646SMC for SISO magnetic levitationsystem--disturbance observerSMC for SISO magnetic levitationsystem--disturbance observerStability analysis1 2 1 2 Lyapunov function candidateV V V V f V S1 2 1 22 2 Positive definiteV f f f f f f f1 d d d d d d d2f h K x f b K h b K f 0d o 2 d 0 o 0 od2 2V S S b f S S b f S 02 0 d 0d2012-09-17 46 464747SMC for SISO magnetic levitationsystem--simulation resultsSMC for SISO magnetic levitation system--simulation results65referencewithout DO response4with DO responseV6eg 3atloV52 reference41 without DO responsewith DO responseVeg 3at0 lo0 05 1 15 2 25 3Vtime s21。