基于Magnet和Simulink聯(lián)合仿真的電磁懸浮系統(tǒng)控制方法
趙琦，郭偉斌，王建輝（上海交通大學(xué)，上海200240）
摘要：針對(duì)一種用四極電磁鐵構(gòu)建的三自由度電磁懸浮系統(tǒng)，提出了一種采用Simulink和Magnet軟件聯(lián)合仿真的方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)電磁懸浮系統(tǒng)控制策略準(zhǔn)確的分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電磁懸浮系統(tǒng)的控制提出了改進(jìn)了的零功率和半零功率控制算法，提高了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：電磁懸浮系統(tǒng)；聯(lián)合仿真；Magnet；零功率控制
中圖分類號(hào)：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004 -7018 (2008) 09 -0042 -04
O引言
磁懸浮技術(shù)是依靠電磁吸力或斥力將物體懸浮在空中，實(shí)現(xiàn)物體相互之間無直接接觸，在它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中達(dá)到無摩擦。磁懸浮技術(shù)是將電工電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起的典型機(jī)電一體化技術(shù)，利用永磁或電磁力將物體無接觸地懸浮起來，輔以控制手段，以滿足工業(yè)生產(chǎn)向高精密、高速度方向發(fā)展的需要。文獻(xiàn)[1]提出了一種新型的電磁懸浮系統(tǒng)，它是一個(gè)由帶有永磁體的四極共軛電磁鐵構(gòu)建的小型懸浮系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)該磁懸浮系統(tǒng)提出了基于簡(jiǎn)化棋型的在豎直方向自由度上的恒氣隙的控制算法。
目前，各種電磁懸浮系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和控制中存在控制策略難以準(zhǔn)確驗(yàn)證分析的問題。本文介紹一種新的仿真方法，即采用Magnet和Simulink的聯(lián)合仿真方法，對(duì)實(shí)物的模型不經(jīng)簡(jiǎn)化地進(jìn)行零功率和半零功率控制的仿真。聯(lián)合仿真是指用兩個(gè)或者更多的專業(yè)軟件仿真復(fù)雜系統(tǒng)的瞬態(tài)問題，每個(gè)仿真器求解整個(gè)問題領(lǐng)域的物理方程，其輸入的數(shù)據(jù)是由其他仿真器提供的。所有的仿真器同時(shí)運(yùn)行求解瞬態(tài)問題。仿真器之間數(shù)據(jù)的交換必須足夠頻繁，以滿足仿真的精度。
本文利用Magnet建立懸浮系統(tǒng)的模型，而后將其模型嵌入Simulink里面，加入控制的方法，與Sim-ulink作交互運(yùn)算。通過Simulink的控制方法，給Magnet模型提供控制電壓，采用現(xiàn)代控制理論，提出了零功率控制策略以及半零功率控制，并經(jīng)過仿真，得出了接近于實(shí)際模型的結(jié)果。
1系統(tǒng)模型的建立
1.1 Maanet軟件簡(jiǎn)介
Magnet是市場(chǎng)上****具有2D/3D多自由度瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析能力的軟件。比起常用的ANSYS軟件來說，Magnet的優(yōu)點(diǎn)在于：仿真對(duì)象更加專一，集中在低頻電磁場(chǎng)的仿真計(jì)算上；它有真正的Win-dows界面，玎以方便快速地建立模型和進(jìn)行分析，它提供與Simulink連接的插件，為聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。
1 2電磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和Magnet模型
基本結(jié)構(gòu)有共軛的四個(gè)極，每個(gè)極由永磁體和控制電流的線圈組成[3-4]。參照文獻(xiàn)[4]實(shí)際模型的尺寸和材料，用Magnet建模，如圖1所示。****不同的是上方并沒有采用鐵軌和直線電機(jī)，而是采用了大平板，簡(jiǎn)化了模型設(shè)計(jì)。
1.3控制三自由度的線圈電流
該電磁結(jié)構(gòu)可以控制三個(gè)自由度：豎直方向的氣隙z繞α軸轉(zhuǎn)動(dòng)的日傾斜角度θ以及繞β軸轉(zhuǎn)動(dòng)的φ角度。其中，三個(gè)繞組電流iz、iα、iβ分別控制豎直方向z傾斜角度θ和φ，如圖2所示。
i1、i2、i3、L4分別是四個(gè)線圈上的實(shí)際電流。它們和有效電流iz、iα、iβ的關(guān)系可以寫成下式：
由于三個(gè)自由度的物理方程具有同樣的形式[4]，所以將主要討論豎直方向自由度的控制。
2零功率控制與半零功率控制
2.1零功率控制器特點(diǎn)
零功率控制是在正常工作時(shí)電磁線圈中電流近似為零。當(dāng)磁鐵負(fù)載在允許的范圍內(nèi)變化時(shí)，通過適當(dāng)調(diào)整懸浮氣隙，使得懸浮體的永磁產(chǎn)生的吸力與懸浮體的重力相等，從而實(shí)現(xiàn)懸浮體穩(wěn)定懸浮，此時(shí)，保持線圈中電流在零附近小幅波動(dòng)。
文獻(xiàn)[3]已經(jīng)提出了恒氣隙的控制策略，并初步提出了懸浮系統(tǒng)的狀態(tài) |
