磁悬浮系统研究设计

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1、木系统所采用的磁悬浮装置是由控制器、电磁铁、涡流位移动器、电压/电流传感器、整流电路、功率放大器和悬浮机构（铁盘）等组成。其示意图如图2・1所示。三个相同的电磁铁固定在悬浮支架上，在每个电磁铁两侧对称平行的安装两个型号相同的位置传感器（为简便起见，图屮每点只画了一个传感器），并且保证位置传感器的下平面和悬浮体的平面相平行，以使得传感器检测到的悬浮距离为真正的悬浮气隙长度。悬浮铁盘位于磁铁下方，采用圆环的结构，这样就避免了悬浮体在水平位置上的偏移，大大减小了悬浮系统磁悬浮实验装置的闭环控制系统组成

2、如图2・2所示。电磁铁缠绕导线圈，铁磁体及其与悬浮体Z间的气隙形成了闭合冋路。当电磁铁绕组中通过电流时，气隙内产生电磁场，从而会对悬浮体产生电磁吸力。当三个电磁铁吸力之和大于悬浮铁盘重力时，铁盘上升，铁盘悬浮起来。因此，控制电磁铁绕组中的电流大小，使其产生的电磁力和铁盘重力相等，铁盘就可以悬浮在空中，处于悬浮状态了。但是，这种平衡是暂态的，由于电磁铁和悬浮体之间的电磁力大小与它们距离的平方成反比（下一章将进行推导），即距离越小作用力越大，距离越大作用力越小，所以该系统只要受到极微小的扰动，就会破

3、坏这种平衡，导致铁盘掉下来，或者和电磁铁吸附到一起。因此要使悬浮体实现稳定悬浮，就必须根据悬浮体的悬浮状态连续不断地调节磁场，这可以通过改变电磁铁线圈的电流来实现。本系统采用涡流传感器来检测悬浮体偏移平衡位置的距离，将检测信号以电压的形式反馈给控制器，经过一系列的控制算法后，得到控制量，输出给功率放大器，功放控制电磁铁内部电流的人小，控制电流修正屯磁铁中产生的电磁力，使电磁吸力和悬浮体重力相等，从而维持铁盘的悬浮位置稳定不变。位移传感器是磁悬浮系统中的关键元素，它用来测量悬浮体与电磁铁之间气隙的

4、长度，要想获得高精度的测量数据，就要求传感器有很高的灵敏度、分辨率以及反应速度。虽然现在有很多的传感器可供我们选择，但是，还是受到很多限制，比如说大小、价格等方面。我们应该选择适合本悬浮系统的传感器。电磁悬浮的特点决定了用于检测反馈信号的传感器必须是非接触式的。电涡流传感器以其一系列优点，如它可以用于所有的导电材料，结构小巧，有很强的抗干扰能力，较宽的温度范围，高的测量精度利频率响应等，被广泛的应用于现在的检测中。从目前磁悬浮系统研究的现状来看，还有一种差动电感式传感器也具有很大的优势。这种传感

5、器是基于非接触式的变压器原理，由于其结构简单，抗干扰能力强，灵敏度较高，冃前得到了普遍重视。国内在差动电感位移传感器方面仅限于接触式的，而在非接触式差动电感式传感器的应用研究和生产方面尚属空白。由于上述原因，大多数研究者采用电涡流位移传感器。电涡流位移传感器的灵敏度和线性度可以满足一般电磁悬浮系统的要求，但如果在每个悬浮点采用单个传感器，就会出现由于结构的原因而产生的测量误差，使控制精度降低。因此,对于高精度的电磁悬浮系统来说，其灵敏度和线性度等技术指标距离要求都还有一定的差距。鉴于上述分析，本

6、系统屮采用两个涡流传感器对称的设置在每个悬浮点两侧，将两者的转换值平均后作为反馈信号，以满足系统对灵敏度和线性度等技术指标的要求。在此系统中，我们选择的是北京盛辿振通科技有限公司生产的S2900型一体化电涡流位移传感器。该传感器的基本工作系统由探头、延伸电缆、前置器以及被测体构成。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金展体靠近这一磁场，则在此金属表而产生感应电流，电磁学上

7、称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频屯流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率&、磁导率2、尺寸因子丫、头部体线圈与金属导体表面的距离D、屯流强度I和频率3参数来描述则线圈特征阻抗可用Z=F(T,J6,D,T,3)函数来表

8、示。通常我们能做到控制T,6,T,3这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数测量