倾斜式电磁、永磁混合悬浮地球仪及旋转系统的研究

摘要

磁悬浮技术使得地球仪脱离接触支承,更象其在宇宙中的形态,但是,综观目前的磁悬浮地球仪,都是垂直磁悬浮系统。从悬浮技术看,这类磁悬浮地球仪是简单的单自由度垂直悬浮技术,技术难度较低。从实用价值看,他给人们的视觉偏离了正常的物理特征。
　　 本文给出了一新颖的倾斜、旋转式磁悬浮地球仪系统。这一系统是一高度非线性且开环不稳定系统。采用有限元方法对磁场进行了仿真分析,为磁轴承结构的选取和设计及性能参数的确定提供了依据。结合系统的动力学方程,对非线性系统在平衡位置附近进行线性化,建立了系统的理论数学模型。在此基础上,设计出合理的PID控制器模型。导出混合磁悬浮轴承系统稳定性和动态性能的传递函数,并对混合磁悬浮轴承进行了仿真,得到使系统稳定的控制参数范围。结合混合磁悬浮地球仪特点,比较并选取了适合于此系统结构的高灵敏度小型霍尔传感器,实现了球体位移的精确测量。在地球仪倾斜稳定悬浮的基础上,又设计了旋转控制电路。最后,对系统进行了总体调试,实现了地球仪的稳定悬浮及旋转。实验结果表明采用混合磁轴承结构降低了系统功耗,进一步减小了系统的体积。本课题的研究结果为设计此类地球仪奠定了电磁学和力学方面的基础,并为此类地球仪的结构设计提供了很好的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的提出

1.2 课题的简单介绍

1.3 研究课题所做的主要工作

1.4 研究课题的创新点

1.5 总结

第2章 磁轴承材料的选择和基本结构的设计

2.1 倾斜磁悬浮地球仪系统的工作原理

2.2 永磁轴承材料的选择

2.2.1.永磁材料的特性及主要性能指标

2.2.2.永磁材料的选择

2.3 系统受力分析

2.4 系统上轴承结构的选择

2.5 磁铁结构尺寸的确定

2.5.1.系统上轴承结构尺寸的确定

2.5.2.上轴承的确定及磁场仿真

2.5.3.下轴承的确定及仿真结果

2.6 本章小结

第3章 系统数学模型的建立及控制器的设计

3.1 系统理论数学模型的建立

3.1.1.电磁部分产生的磁感应强度

3.1.2.永磁部分产生的磁感应强度

3.1.3.永磁、电磁混合磁场产生的磁感应强度

3.2 磁场力的计算

3.3 电磁、永磁混合磁悬浮地球仪系统的运动方程

3.4 控制系统的设计

3.4.1.PID控制器

3.4.2.PID参数整定

3.4.3.控制模型的建立

3.4.4.控制系统时域响应指标

3.4.5.控制系统模型仿真

3.4.6.PID控制器硬件电路分析

3.5 控制系统实验测试

3.6 本章小结

第4章 功率放大器的设计

4.1 磁轴承功率放大器的主要类型及性能比较

4.2 功放相关参数的设定

4.2.1.功放的开关频率

4.2.2.功率器件的选择

4.2.3.功放电路的响应速度和执行机构力的响应速度

4.2.4.功放的输入电压

4.2.5.开关功放功耗计算

4.2.6.开关功放的控制形式

4.3 功放电路设计

4.3.1.TL494简介

4.3.2.功放控制及驱动电路设计

4.4 功放性能测试

4.5 本章小结

第5章 传感器的选型与研究

5.1 传感器的选型

5.1.1.各类传感器简介

5.1.2.磁悬浮地球仪系统对位移测量的要求

5.2 霍尔位移传感器

5.2.1.霍尔传感器工作原理

5.2.2.霍尔元件的材料及结构

5.2.3.霍尔元件的主要技术参数

5.3 基于霍尔元件的传感器系统设计

5.3.1.霍尔元件HW-101A的性能

5.3.2.霍尔传感器的驱动电路设计

5.3.3.霍尔传感器的不等位电势补偿电路设计

5.3.4.霍尔传感器信号调理电路的设计

5.4 本章小结

第6章 磁悬浮地球仪旋转系统的设计

6.1 地球仪旋转方案的提出

6.2 旋转控制原理

6.3 旋转控制电路的实现

6.4 本章小结

第7章 磁悬浮地球仪倾斜旋转系统总调试与实验

7.1 混合磁悬浮地球仪系统平台

7.2 混合磁悬浮地球仪实验波形

7.3 本章小结

第8章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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