并聯型永磁懸浮系統懸浮特性的實驗研究?

孫 鳳，李 清，金俊杰，金嘉琦

（沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

由于磁懸浮技術具有無摩擦、無污染、噪聲小、高效節能等一系列優點，使其在近幾年成為研究熱點并取得了豐碩的研究成果。由磁懸浮永磁平面電機組成的直驅式平面工作臺可有效解決傳統工作臺存在的摩擦、間隙等問題［1］；作為空間飛行器高精度姿態調整關鍵執行機構的磁懸浮飛輪具有節能、壽命長、輸出力矩大等優點［2］；磁懸浮技術還應用于交通運輸、磁軸承、高速機床、醫療器械等領域［3-5］。磁懸浮技術可分為電磁懸浮技術和永磁懸浮技術，電磁懸浮技術具有不可斷電及線圈發熱耗能等不足；永磁懸浮技術可通過永磁鐵提供懸浮力，具有節能環保等優點，可有效降低制造成本。

本文首先闡述并聯型永磁懸浮系統結構及相應工作原理，使用PD控制使系統穩定懸浮；其次分別給予系統階躍擾動及外力干擾，并對系統響應結果進行分析總結。

1 并聯型永磁懸浮系統結構及懸浮原理

并聯型永磁懸浮系統結構及原理如圖1所示。該系統由置于正上方的盤狀徑向永磁鐵提供磁力，位于永磁鐵兩側的“F”形鐵軛（坡莫合金）構成閉合導磁回路，兩個大小不同的鐵球分別置于左、右鐵軛腳部正下方。

設定圖1（a）狀態為系統初始位置，此時永磁鐵轉角為0°，磁鐵N、S極垂直相對，由N極出發的磁力線經左、右鐵軛直接回到S極而不經過鐵球，此時兩鐵球無懸浮力生成。如圖1（b）所示，永磁鐵順時針旋轉40°，部分磁力線依然通過導磁鐵軛直接回到S極，而另一部分磁力線則經過“右鐵軛-右鐵球-左鐵球-左鐵軛”構成的有效導磁回路回到S極，此時鐵球與鐵軛之間有懸浮力生成。隨著永磁鐵轉角的增大，懸浮力也隨之增大，由于永磁鐵的對稱結構，當θ=90°時懸浮力達到最大值，通過伺服電機驅動永磁鐵轉角大小便可實現兩鐵球的穩定懸浮。

圖1 并聯型永磁懸浮系統結構及原理圖

2 懸浮特性研究

控制系統原理如圖2所示，系統懸浮實驗以dSPACE作為控制核心，兩鐵球位移Refz1、Refz2及電機轉角α作為系統輸入，c1、c2、c3為初始值，分別經PD控制器計算，經過求和獲得伺服電機控制電流，再由閉環控制系統實時調節電機轉角大小以實現鐵球穩定懸浮。實驗中使用的PD控制器參數分別為kp1=-91 746，kd1=-1 327；kp2=117 990，kd2=1 602；kp3=48，kd3=0.3。

2.1 階躍外擾實驗

當系統在平衡位置處穩定懸浮時（如圖3所示），兩鐵球與下方限位鐵片及上方鐵軛腳部均不接觸，說明系統處于穩定懸浮狀態。

圖2 控制原理圖

穩定懸浮時，分別給予左、右球0.05mm的較小階躍擾動，系統響應如圖4所示。圖4（a）中，當給左鐵球一階躍向上外擾時，為使鐵球向上移動，永磁體回轉角略增大，使懸浮力增大。但鐵球向上移動后，懸浮氣隙減小，懸浮力繼續增大。為達到再次穩定懸浮，永磁體回轉角迅速減小，直至懸浮力與鐵球重力達到新的平衡狀態。圖4（b）為給右鐵球階躍外擾時的響應結果，其響應過程與給左球擾動時類似，向上的階躍擾動促使磁鐵轉角增大，懸浮力隨之增大，兩鐵球均向上移動。但右球質量較大，同樣的外擾，永磁體轉角的波動幅度較大。

圖3 系統穩定懸浮

圖4 系統的階躍響應

2.2 外力干擾實驗

2.1 節所述為系統穩定懸浮狀態給階躍擾動的實驗，是通過干擾電機控制電流間接改變磁鐵轉角的外擾方式，可視其為內部擾動。為進一步研究系統對于外力擾動的響應情況，當系統處于穩定懸浮狀態時，使用不導磁物體分別給予鐵球一輕微的正下方敲擊外力，系統響應結果如圖5所示。

圖5（a）中，當敲擊左鐵球時，左鐵球受外力作用向下移動，此時永磁鐵轉角也隨之減小，對于右球而言，懸浮力減小，重力作用下右球向下移動；當敲擊干擾撤去后，系統在閉環控制系統作用下，永磁鐵轉角增大阻止鐵球下移，最終達到新的穩定懸浮狀態。圖5（b）為右球外力干擾響應結果，對右球施加向下的壓力時，磁鐵轉角增大，由于外力及重力之和大于懸浮力，右鐵球被動向下移動，而左球的懸浮力會增大，所以左鐵球會向上移動，當外力干擾撤去后，系統依然能在新的平衡位置穩定懸浮。

3 結論

本文提出一種基于改變閉合導磁回路中有效磁通量繼而改變回路中懸浮物懸浮力的并聯型永磁懸浮系統，闡述了系統結構及其工作原理。懸浮實驗中利用PD控制器使兩鐵球穩定懸浮，在平衡位置處分別給予左、右鐵球階躍外擾及外力干擾，實驗結果表明：閉環控制系統作用下，當給予懸浮物較小擾動時，系統可根據位移及轉角輸入信號實時調節磁鐵轉角使系統保持穩定懸浮狀態。

圖5 系統的外力干擾響應

［1］ 張新華，孫玉坤，項倩雯，等.一種動圈式磁懸浮永磁平面電機實時電流分配策略［J］.中國電機工程學報，2013，33（6）：144-152.

［2］ 湯繼強，韓雪飛，劉強.微框架效應磁懸浮飛輪轉子輪緣優化設計［J］.光學精密工程，2012，20（9）：1991-1997.

［3］ 許自豪，錢坤喜，王顥.永磁軸承最小懸浮轉速與轉動慣量的關系研究［J］.中國機械工程，2012，23（8）：900-905.

［4］ 高琳，徐宗海，朱凱，等.錐形磁懸浮軸承的建模與解耦控制［J］.中國電機工程學報，2013，33（6）：153-160.

［5］ 孫鳳，王亞剛，李東生，等.懸掛式永磁懸浮系統的懸浮特性研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012，33（11）：25-28.