基于电磁力反馈控制策略的悬浮控制器研究

摘要

建立精确的单电磁铁悬浮系统数学模型并设计合理的控制策略是实现磁浮列车稳定控制的基础。单电磁铁悬浮系统传统电压、电流控制模型采用工作点邻域内线性化的方法进行建模，控制模型精度受限，影响控制效果。针对传统控制模型的不足，本文主要从单电磁铁悬浮系统的控制模型方面着手进行改进。
　　论文建立了单电磁铁悬浮系统的动态方程，介绍了传统电压、电流控制模型的建模过程，讨论了传统线性化模型的局限性。针对线性化模型的不足，以电磁悬浮力为控制对象，建立了单电磁铁悬浮系统的电磁力控制模型。该模型未使用线性化方法，保留了悬浮系统的非线性特性。在电磁力控制模型的基础上，依据电磁力解析计算公式，运用状态反馈控制方法建立了电磁力反馈控制策略，并与传统控制策略进行了对比仿真。
　　为了进一步验证电磁力反馈控制策略的有效性，以TMS320F28335数字信号处理器为载体实现了基于电磁力反馈控制策略的悬浮控制器。针对起浮降落、载荷变化、外力扰动、施加间隙干扰等磁浮列车的典型工况，在磁浮小车模型实验平台上进行了电磁力反馈控制策略与传统控制策略的对比实验。实验表明，电磁力反馈控制策略相比传统控制策略具有更好的悬浮稳定性、加载适应能力以及抗间隙干扰能力。由于利用电磁力反馈控制策略实现了悬浮载荷的起浮前测量，电磁力反馈控制策略在加载适应能力方面表现出了明显的优势，有效地提升了悬浮控制器在载荷增加状态下的控制特性，拓展了控制器的稳定范围。在实验平台加载165％的情形下，电磁力反馈控制策略仍能使系统保持稳定，相比传统电压、电流控制策略分别在加载90％和125％的情形下系统失稳，电磁力反馈控制策略的稳定范围提升了近30％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 磁浮列车技术概述

1．2 电磁悬浮控制技术的研究现状

1．3 本论文的主要研究内容

第2章 单电磁铁悬浮系统的数学模型

2．1 单电磁铁悬浮系统结构

2．2 单电磁铁磁悬浮系统的动态方程

2．3 单电磁铁悬浮系统的传统控制模型

2．3．1 动态方程的线性化

2．3．2 单电磁悬浮系统的电压控制模型

2．3．3 单电磁铁悬浮系统的电流控制模型

2．4 单电磁铁悬浮系统的电磁力控制模型

2．4．1 电磁力系统的非线性模型

2．4．2 电磁力控制模型

2．5 本章小结

第3章 电磁力反馈控制策略的设计与仿真

3．1 电磁力控制模型稳定性分析

3．2 电磁力反馈控制策略设计

3．3 电磁力反馈控制策略仿真分析

3．3．1 仿真参数

3．3．2 电磁力反馈控制策略理想特性仿真

3．3．3 电磁力的三维有限元仿真

3．3．4 多种控制策略对比仿真

3．4 本章小结

第4章 单电磁铁悬浮系统的软硬件设计

4．1 系统整体结构概述

4．2 单电磁铁悬浮控制系统硬件设计

4．2．1 单电磁铁悬浮控制系统硬件组成

4．2．2 悬浮斩波器

4．2．3 控制器

4．2．4 传感器及信号调理电路

4．3 单电磁铁悬浮系统软件设计

4．3．1 控制软件总体设计

4．3．2 初始化子程序设计

4．3．3 采样子程序

4．3．4 控制算法子程序

4．3．5 载荷测量子程序

4．3．6 起浮降落子程序

4．3．7 PWM控制子程序

4．4 本章小结

第5章 系统实验结果及分析

5．1 稳定悬浮实验

5．2 起浮及降落实验

5．3 抗外力扰动实验

5．4 加载实验

5．4．1 加载起浮与降落

5．4．2 加载情形抗外力扰动实验

5．5 间隙干扰实验

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文