谁做过电磁悬浮

3万 · 2008-2-16 11:55

帮帮忙，可以有报酬，俺实在不想搞这个，但是，不得不用啊。
看着那个大公式，控制算法，我就头大，本来数学就不好。

2万 · 2008-2-16 13:09

这课题过去都由科研院所攻关，老Wang呀，一定先把启动资金弄到手，有钱才好不白忙乎。

3万 · 2008-2-18 09:43

3万 · 2008-2-18 09:51

相关链接:http://www.714e.com/bbs/dispbbs.asp?boardID=8&ID=830&page=1

3万 · 2008-2-18 09:54

相关链接:http://www.instructables.com/id/Electromagnetic-Floater/

2万 · 2008-2-18 15:16

原来是这么个好玩的漂在空中的东西。

3万 · 2008-2-18 15:49

相关链接:http://www.cixuanfu.com/bbs/viewthread.php?tid=1184

3万 · 2008-2-18 16:04

看懂e文就能搞定了
网络就是好啊

Home-Built Magnetic Levitator
相关链接:http://www.coolmagnetman.com/magindex.htm

2万 · 2008-2-18 16:15

国人一样开放啊，网上的**很多很多的

要悬浮起来容易，要悬浮并高速、稳定的转起来才难

[转帖]磁悬浮转子系统的鲁棒控制设计与仿真

作者：哈尔滨工业大学航天学院刘淑焕

关键词： AMBS、不确定性、鲁棒控制器、Robust Tools仿真

AMBS(Active Magnetic Bearing System)是非常复杂的机械电力及磁力系统。轴通过轴承上的励磁电流调节的电磁力达到控制其悬浮及旋转，可实现无接触式超高速旋转，在当代测量、热核、宇航、超低温及其他现代技术应用的仪表制造业和机械制造业领域获得了广阔的发展和应用空间[1]。

1. 转子  2. 电磁铁  3. 传感器
图 1 磁悬浮转子系统
      如图1所示，一个AMBS由两个径向、一个轴向的磁力支撑(或者两个轴向的磁力支撑)和控制线路组成，主要包括转轴、磁力轴承(励磁绕组、冗余绕组等)、转轴位置偏差感应装置(位置传感器或无传感器)、控制器及功率放大器、散热装置等。由于各对磁极与转子的相互吸引和推斥作用使转子处于相对平衡的位置。励磁电流的驱动使转子绕几何轴心高速旋转，同时控制器调节定子线圈中的高频电流，改变作用于转子上的电磁力，从而控制转子轴心的位置偏移。
      转子在高速率旋转时将引发的陀螺效应，超高速运转的转子的柔性模态效应，这些使系统控制过程充满了诸多的不确定因素;传感器环节延迟，磁路饱和和涡流现象等等也是造成AMBS工作不稳定的重要因素。AMBS本质非线性和不稳定性是当今控制界的典型难题。
      电磁设计与控制设计是一个完善的AMBS需要着重考虑的两个方面。电磁设计决定了AMBS的负载能力、刚度等技术指标，而AMBS的动态性能则取决于系统的控制设计。如上所述，转子与定子间的运动气隙是AMBS的最终被控制量。而旋转速率的变化使得转子的陀螺力矩及偏心率引起的离心力的影响都将随之发生变化。未知转速p成为AMBS控制设计及实际应用的一个重要的不确定因素。

1. 机身支架 2. 定子轴承 3. 感应传感装置轴承 4. 电磁导引转轴
图2 磁悬浮轴承系统的简化结构剖面
与AMBS建模相关的预备知识
轴承电磁结构
轴承系统主要包括动力环节、测量环节等。如图2所示动力环节的构成主要是转轴4。为了在任意径向产生力的作用，定子轴承2的线圈绕组不应少于三对磁极。通常采用四对八极结构构成四个电磁铁(见图2A-A剖面)，其中的两个按ox方向支撑，另两个按oy方向支撑。测量环节是转轴在ox和oy方向上的位置传感器3，通常采用的有感应式的、电感式、电容式或者光电式几种。该环节的线圈和磁极的数目将大大多于定子轴承部分。
转子双向受力动态方程
磁场中单向受力的电磁体所受的电磁力为[2]

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>    (1)
      式中:W-磁场能量;x-电磁体ox轴向偏移;
        i-电磁铁电流;KL-电磁系数;δ-设计气隙。
      可见，力的大小与通过每块磁铁线圈的电流大小的平方成正比,与它和被吸物体间的空隙大小的平方成反比。δ太大导致F下降，转子不能悬浮起来;δ太小,在工作条件变化的情况下，轴与轴承间极易发生摩擦。图 2所示的定子电磁铁对转子施加的径向作用力使转子悬浮于轴承所包围的空间，假设运动气隙的大小由△δ表示，其中△δ＝δ－x,转子的受力可简化如图3分析。

图 3 双向受力磁力转子受力分析
由牛顿力学第二定律，转子ox方向受力情况由微分方程表示为[2]

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (2)

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (3)
对式(2)(3)微分方程进行线性化处理以及一系列的等效变换，得到双向受力的转子运动的线性微分方程(4)，其中工作点选择在x=0，I10 = I20 = I0，U10= U20=U0，I0为偏置电流(又称标称工作电流)，I0=Imax/2。

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (4)
式中:C1，H1，L为等效的电磁常数。改写方程(4)为:

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>    (5)
      式(5)是建立磁悬浮转子系统数学模型的基础，也是传统的PID控制的设计基础。
AMBS的数学建模
      取如下垂直一致刚度的磁力转子系统[6]，其物理参数如附表所示。

附表垂直一致刚度的磁力转子系统的物理参数

附表中:M-转子重量;Ja和 Jr-转子轴向和径向旋转惯量;KM1和KM2-磁浮轴承刚度系数;KI1和KI2-磁浮轴承控制环节的增益系数;p-转速。垂直转子上下两侧各有一个径向磁力支承，分别以下标1和2表示。距离转子质心的纵向距离分别为:L1、L2。
如前所述，建立电磁轴承转子系统的动力学模型，需要借助转子动力学与振动力学等学科的基本理论。对系统经过大量简化取得其常微分方程,又经过线性化处理将非线性微分方程简化为线性微分方程。繁杂的简化处理后取得的模型与实际的受控对象相差甚远。这样便出现了一系列与控制器设计直接相关的问题。比如:线性模型是在标称值附近的微小偏差的假定下获得的，而转子实际运行过程中的偏差也许并非是小偏差，如何保证线性化模型与非线性模型的对应。
计算与实验同时显示，如果悬浮体的偏移与设计气隙的量级具备可比性，那么线性化所带来的误差是很小的[3]。简单的设计工艺、与非线性模型高度的对应是线性模型广泛地在AMBS控制设计和应用中采用的根本原因。当然，在某些极端的情况下，比如磁路高度饱和、零电流或者零气隙时，线性模型便失去了意义。

图4 磁悬浮转子力学坐标系
垂直一致刚度磁浮转子的受力分析如图4所示。经过与上述类似的简化及线性化处理，含有偏心率和未知转速等其他物理参数，描述该系统运动的微分方程的状态空间形式如式(6)式所示:

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (6)
式中:

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>-支承点的速度和位置偏移向量;

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>T-轴承电磁铁中的压控励磁电流向量;

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>T-偏心率存在引起的质心离心力向量;

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>T-可检测的输出信号向量。
式(6)中的状态空间矩阵如下所示:

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>，

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (7)
如文献[6]所述，其中子阵

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>。
      子阵A2中含有一个变量-转子的转速p。系统的动态模型随转速的变化而变化。

AMBS的控制设计
      随着现代工业对磁浮轴承运转高速度和精度偏移要求的不断提升，传统的PID控制无法适应AMBS强烈的模型不确定性和建模误差的显著变化。目前，采用H∞理论设计具有强鲁棒性的鲁棒控制器已取得了很好的研究成果[4]。在此给出设计实例。
      设计任务:设计一个输出反馈调节器同时满足两个条件:任意转速下，系统运转稳定(鲁棒稳定性);任意转速下，转子位置偏移(输出)的能耗最小(标称性能)。
外部扰动建模
      干扰通常作用于系统工作的低频范围。在系统稳定的前提下,要保证系统具有良好干扰抑制能力，要求W1(s)应具有低通性质。在设计垂直一致刚度AMBS时，转子质心的不均衡特征使高速运转时的系统动态受离心力的影响严重。而这一干扰的作用可以用正弦信号模拟;对该模拟信号进行频谱分析发现，可以在低频段对这一信号进行有效的过滤，所选取的W1(s)具有低通滤波器的特性。若转速的变化区间为:
      p＝0,1,....,6(×1000) rad/s，单通道的低通滤波器选取为:

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (8)
系统不确定性建模
如前所述，转速是系统不确定性建模的重要因素之一，系统的动态模型随转速的变化而发生改变。模型不确定性的影响主要集中在系统运转的高频段。采用加性不确定性建模，由转速变化引起的建模误差属于一个集合D，该集合的大小受转速变化区间上限的限制。以磁悬浮转子系统传递函数矩阵的奇异特征值表征这一误差，有:

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (9)
其中

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>为传递函数矩阵 θ(s,p)的奇异特征值，p0为选取的旋转速率的标称值，G(s,p0)为标称对象的传递函数矩阵。
转速在p＝0,1,....,6(×1000) rad/s区间变化时，选取标称速率为4000rad/s。w2的选取应为集合D的包络线。

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0> (10)
这与w2的高通特性相吻合。

其中G0W(s)为标称对象由干扰到输出的传递函数矩阵。W1(s)为对角元素为

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>的扩展矩阵。
系统的混合控制目标函数的选取应为保证式(12)和(13)成立。
调节器设计
H∞鲁棒调节器设计的标准形式矩阵构造为如下形式

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>，

body.clientHeight)this.width=body.clientHeight" border=0>    (14)
      其中[AW1,BW1,CW1,DW1]为W1(s)的状态空间矩阵;[AW2,BW2,CW2,DW2]为W2(s)的状态空间矩阵。
      借助MATLAB的Robust control tools工具箱可以方便地进行鲁棒控制器的设计。

AMBS的鲁棒控制器仿真
      如前所述，选取的权函数对系统不确定性的高度逼近是造成系统控制器维数升高的主要原因。借助工具箱中的hinfopt等函数，设计的控制器为28阶。闭环仿真结果如图5～6所示。

图5  AMBS鲁棒控制器闭环转轴轴心运动偏移x1-y1轨迹仿真(p=4000rad/s)
      由图5可见，系统经过短暂的过渡，进入稳态运行，转轴轴心的位置偏移不超过38微米。
      系统闭环稳定性的验证，如图6所示。

图 6 AMBS标称对象闭环特性
结语
      本文对具有不确定速率及偏心率存在的垂直一致刚度磁浮转子系统进行了线性鲁棒控制设计。提出了一种将线性鲁棒调节器设计任务归结为一般的H∞控制的设计方法。设计过程中的混合灵敏度方法有别于其他的文献，尤其是权函数的选取更具有鲜明的物理特征，由扰动的物理上限确定。
      采用该方法设计的鲁棒调节器即保证了系统的鲁棒稳定性，同时对干扰进行了有效的抑制，系统转子的输出轴心偏移误差的半径在任一转速时均小于38微米，达到了令人满意的仿真和控制效果。
      本文所设计的控制器的高维数难以实现的情况可通过控制器的合理降阶获得解决。这一问题将在相关**中予以阐述。

2万 · 2008-2-18 17:08

现在市面上有很多采用磁悬浮液压轴承的风扇，倒是可以去找找看
一般应用的话可以考虑的，价格也不算太贵，就是有点名不副实，并不是真正带伺服的磁悬浮系统,不能用于高速旋转场合的:-)
不过寿命、噪声还算可以啦，一般用用还行

高速场合就得用这个了：
SKF公司最新推出磁浮轴承（图文）

　　ＳＫＦ（斯凯孚）公司最新推出磁浮轴承。半导体工业需要极

纯净的环境来制造日益复杂的电路晶片，其中，ＴＭＰ（Turbo Molecular Pumps）涡轮子真空泵主要是利用高速旋转的涡轮叶片转子，撞击气体分子后，把气体分子带出制程腔体。由于需要高速旋转，传统陶珠轴承系统存在油气污染问题，目前业界已大量使用无接触的磁浮轴承。

　　ＳＫＦ磁浮轴承还可应用于三轴加工中心机床，主轴转速１０万转／分钟。

　　此主轴目前是展示阶段的原型，唯有依赖磁浮轴承才能达到如此高的转速，而如此高的表面加工精度及轴承寿命，是传统滚动轴承所无法达到的。

　　磁浮轴承的性能由于软件算法的改进而大大加强，坚固性，稳定性，经济性的提高使磁浮轴承从试验室走向应用领域。

　　磁浮轴承主要由以下三部分组成：电磁驱动机构，传感器，控制器及算法。磁浮轴承的结构与马达类似，电磁铁除了产生力矩以外，还产生使转子悬浮的吸引力。转子与定子的间隙一般为0.5mm至2mm。主轴位置传感器用于给控制系统提供反馈，一般情况下设置四个径向传感器一个轴向传感器。控制器通过对电流大小的调节而控制主轴的位置。先进的控制算法可以实现每秒１００００次的位置测量和电流调节。同时，软件还提供接口供使用者监测振动，动平衡，速度等参数。

3万 · 2008-2-19 10:52

谁做过电磁悬浮

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哈哈，老王拿到科技攻关课题了？

不会吧，这种玩具一大把，没那么难吧？

中文版本

这可能是原始出处

哈哈，我还以为是搞类似“磁悬浮”列车传动装置

现成的装置，还是老外开放

更详细的一个磁悬浮论坛

[转帖]磁悬浮转子系统的鲁棒控制设计与仿真

这个东西对工艺要求太高，不是个人能够DIY的

太tmd专业了，看不懂

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