磁悬浮课程设计 2
评定表
学生姓名顾志鑫班级学号1011020110
专业探测制导与
控制技术课程设计题目磁悬浮控制系统
设计与实现
评
语
组长签字：
成绩
日期20 年月日
课程设计任务书
学院装备工程专业探测制导与控制
学生姓名顾志鑫班级学号1011020110
课程设计题目磁悬浮控制系统设计与实现
实践教学要求与任务:
设计一个小功率磁悬浮控制系统。要求根据问题的要求设计系统的总体实现方案，并为该系统选择合适的硬件。根据所选择的硬件，建立系统的数学模型，进而设计合适的控制系统校正方案并进行仿真研究。根据自己的设计，实际动手制作该磁悬浮系统，并进行调试和测试。最后，汇总课程设计内容完成课程设计报告。
系统参数及指标：Vcc=16,m=10g,n=150,R=12
控制系统相位裕度>30度。
工作计划与进度安排:
1、设计一个小功率磁悬浮控制系统，包括确定总体控制方案、硬件选
择。
3
2、写出各个器件单元的传递函数，画出组成系统单元传递函数的方框
图，推导出系统的传递函数；根据系统的传递函数设计系统的控制器计
算出控制器的相关参数，建立控制系统动态数学模型；
2
3、采用MATLAB仿真软件进行系统仿真实验。 2
4、根据所设计的控制方案，进行控制系统制作并调试； 3
5、对设计结果做出评价并提出改进意见； 2
6、课程设计结果验收并撰写写出设计报告； 2
7、课程设计答辩。 1
指导教师：
2013 年月日专业负责人：
2013 年月日
学院教学副院长：
2013 年月日
摘要
本文介绍了磁悬浮技术的系统试验构成及原理，并通过PD校正和超前校正分别实现系统校正。
关键词：磁悬浮技术，校正。
目录
一磁悬浮技术简介 (1)
磁悬浮技术概述 (1)
二磁悬浮实验系统的构成及工作原理 (2)
三磁悬浮实验系统的硬件及其特性 (4)
四实验磁悬浮系统的数学模型 (11)
五校正装置设计 (16)
六校正装置的实现 (19)
七参考文献 (21)
一、磁悬浮技术简介
磁悬浮技术概述
磁悬浮系统是一种利用磁场力依靠自动控制技术使某一物体在存在一定干扰的情况下在空间中保持某个固定位置的系统。
由于悬浮体和支撑之间没有任何接触，磁悬浮技术克服了由摩擦带来的能量消耗和速度限制，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声、不受任何速度限制、安全可靠等优点，磁悬浮技术在一些领域得到了应用，其中包括1)磁悬浮列车、2)磁悬浮轴承、3)高速磁悬浮电机、4)风洞磁悬浮系统、5）磁悬浮隔振系统、6）磁悬浮熔炼等。
二、磁悬浮实验系统的构成及工作原理
本次课程设计中所讨论的磁悬浮系统，是一种简单的低成本磁悬浮系统。借助该系统，同学们可以加深对自动控制理论的理解，熟悉构成自动控制系统的一些硬件，利用实际的硬件构成磁悬浮实验系统，进行测试和调试，增强同学们的实际动手能力。
利用该系统，同学们可进行系统建模和理论分析，从数学和理论层面加深对该系统的认识。进一步，可利用Matlab/Simulink进行进一步的分析和仿真研究。
该系统的基本组成包括：
1、永磁性磁悬浮体；
2、螺线管（无铁芯线圈）或电磁铁（带铁芯）；
3、LMD18201 PWM 功率放大器；
4、MIC 502 电压频率转换器；
5、SS496霍尔传感器；
6、电源（9V直流电源和LM7805稳压器）
7、校正装置（用LM358及电阻电容组成）
该系统的物理构成图如图1所示，
图1 简易磁悬浮系统的物理构成示意图
该系统的基本电路图如下：
图1 磁悬浮系统电路原理图。
磁悬浮体的位置由SS495霍尔传感器测量。该传感器的输出电压驱动MIC502电扇管理芯片。该电扇管理芯片向LMD18201电机驱动H桥芯片提供PWM信号。该PWM驱动器调整螺线管的平均电流，而该电流控制螺线管的磁场。这个简单的系统，对于初始条件非常敏感，只有在把悬浮体准确稳定地放在其平衡位置上，磁悬浮体才能保持住。显然，利用SS495来测量磁悬浮体的位置的测量方式，测量结果受到由螺线管所产生的磁场所污染，因而，这种位置测量方式并不理想。但对于这个基本系统，该霍尔传感器不但价格低廉而且，分辨率很高，可满足应用需求。
三、 磁悬浮实验系统的硬件及其特性
SS495
Honeywell SS490系列传感器为霍尔元件与电子线路一体化的集成电路，由霍尔元件、放大器、晶体管利用集成电路工艺技术制成。该传感器是一个三个管脚的装置，三个管脚分别用于接地，接电源和信号输出：
该器件内部带有放大器，测量的灵敏度很高；工作的温度范围为C o 40 至
C o 125，电源电压范围为4.5V 至10.5V 。
产品的数据手册提供了零点温度漂移特性、频率响应特性、线性度等数据。 当SS495的Vs 接+5V ，V-接地时，其管脚OUTPUT 的值如下：
这里的磁悬浮系统中基本使用该元件的上述特性。
补充知识：数据手册的阅读
该器件的温度漂移特性如下图：
该器件的零点随温度变化而发生变化，这个现象称为零点温度漂移。
从图上可以看出，该器件以25摄氏度为标准温度，当温度上升或下降时，输出值发生变化。不同型号器件的温度漂移特性不同。
MIC502
MIC502原本是为散热和风扇管理所设计的芯片，它根据所测量的温度（如CPU的温度）来调整电机的转速。或者说，把它与风扇电机、热敏电阻及几个辅助元件相连接，可直接实现PWM调宽方式调压的开环调速系统，其输入量由热敏电阻提供。
典型应用电路
MIC502的引脚布局
MIC502芯片有八个引脚，有两种封装形式：塑料DIP 封装和SOIC 封装，工作温度范围为C o 40-到C o 85+。
如图所示：
序号 名称 Pin Function
1 VT1 Thermistor 1 (Input): VT1：输入引脚，模拟输入信号为VDD 的30%到 70% 时，(OUT)端输出信号的占空比为 0%到100%。
2 CF PWM 时序电容(外部): PWM 三角波发生器时序电容的正端。建议CF 为0.1μF ，此时，PWM 工作频率为30Hz 。如使用其它工作频率，C=3/f ，C 单位uF ，f 单位Hz 。
3
VSLP
睡眠阈值 (Input): 该引脚的电压与V T1 和 V T2比较。当 V T1 < V SLP 和V T2 < V SLP 时， MIC502 进入睡眠模式，直到V T1 或V T2 高于V WAKE . (V WAKE = V SLP + V HYST .) 把VSLP 接地可取消睡眠模式功能。
4 GND 地
5 VT2 Thermistor 2 (Input): 模拟输入信号为V DD 的30%到 70% 时，(OUT)端输出信号的占空比为f 0%到100%。连接到主板控制电扇信号或辅助温度传感器。
6 /OTF 过热故障(Output)：当该引脚高电平时，指示过温故障条件(V T1 > V OT ) 。
7 OUT 驱动器输出：PWM 输出。通常连接到外部NPN 电机控制晶体管的基极。 8
VDD
Power Supply (Input)：芯片电源。范围为4.5V 至13.2V 。
在本系统中，CF=0.01uF ，此时，f=3/CF=300Hz 。
本系统使用VDD=5V ，此时，当输入为VDD 的30%到 70%（1.5V 至3.5V ） 时，(OUT)端输出信号的占空比为 0%到100%。
该PWM 输出为单极性信号，高电平为5V ，低电平为0V 。
参考文献1，给出了另外的电容频率公式，当CF=0.1uF ，频率约为100Hz 。当CF=0.01uF ，频率约为10KHz 。此计算方法与MIC502数据手册不一致，且差别很大，计算根据不明。
LMD18200
1、PWM
原理回顾
双极式可逆PWM 的输出电压为：
s
on
s on s on d U T
t U T t T U T t U )12(-=--=
2、LMD18200
LMD18200是美国国家半导体公司的用于运动控制的H桥组件。其功能如下：
★连续输出电流3A，峰值电流6A，工作电压高达55V；
★可通过输入的PWM信号实现PWM控制；
★可通过输入的方向控制信号实现转向控制；
★可以接受TTL或CMOS以及它们兼容的输入控制信号；
★可以实现直流电动机的双极型和单极型控制；
★内设过热报警输出和自动关断保护电路；
★内设防桥臂直通电路；
★低导通电阻，典型值0.3欧
LMD18200的内部结构图
LMD18200的管脚
封装及管脚说明：
LMD18200的T-220封装及各引脚功能如下：
名称引脚功能
序
号
1 自举1 当开关频率非常高时, 可接入外部自举电容。如在H 桥输出
端1与自举端2之间接入10nF 外部电容, 可保证开关频率
达到500kHz
2 输出1 H桥的第一输出端
3 方向输入方向输入端
4 刹车输入刹车输入端
5 PWM输入PWM输入端
6 电源电源：12V~55V
7 地地
8 电流取样输出电流与输出1和输出2之间的电流成正比。输出值通常
为377 μA/A。
如果外接2.7K欧的电阻，则当电流为1A时，输出电压为
1V。
9 温度报警温度报警输出。当芯片结温达145 ℃时，该端变为低电平，
结温达170℃时，芯片关断。
10 输出2 H桥的第二输出端。
11 自举2 在脚10与脚11之间接入l0nF电容，可保证开关频率达到
500kHz。
LMD18201在本设计中的使用方式：
1、工作频率为300Hz，频率低，不用外接自举电容，故引脚1、11悬空。
2、PWM输出接5V，即PWM引脚逻辑电平为H。
3、BRAKE引脚接地，即BRAKE引脚逻辑电平为L。
4、DIRECTION引脚接MIC502输出，即该引脚接收MIC502的PWM输出，
高电平时，引脚输出为5V，低电平时为0V。
当MIC502输出高电平时，电流从1流出，从2流入。当MIC502输出低电平时，电流从2流出，从1流入。
LM7805
三端固定稳压集成电路LM7805，其作用是以一定电压范围内的直流电源作为能源，提供5V直流电源。
引脚1：加8至15V电压；
引脚2：接地；
引脚3：输出5V电压。
四、实验磁悬浮系统的数学模型
系统工作原理
1、当悬浮体处在平衡位置时，LMD18201输出电流I0，电磁力与重力平衡；
此时，MIC502输出电压U1，I0=(U1-2.5)*Vcc/R ；U1-2.5=K*B ，B 为霍尔传感器SS496所处位置的磁场强度，单位高斯。该霍尔传感器的增益为K=2/640V/Gauss
2、霍尔传感器的输入为永磁体和电磁体的磁场强度的叠加。在平衡点时，
霍尔传感器输出电压大约2.5V ，其磁场强度主要来自电磁铁。
3、MIC502把霍尔传感器的输出转变为占空比，当输入为1.5到3.5时，占
空比为0到1。当输入电压为2.5伏时，占空比为0.5。ρ=Kvf*(U1-2.5)。当霍尔传感器输入在+-320高斯范围时，Kvf=1。当霍尔传感器输出超出该范围时，MIC502输出饱和。
4、LMD18201把MIC502的输出转化为平均值为Ud=Vcc*γ的电压信号。
5、通过加入校正装置和正确设置反馈回路的极性，使得当悬浮体向下移动
时，线圈电流增大，当悬浮体向上移动时，线圈电流减小，从而实现磁悬浮。
4.1 磁悬浮的物理模型
1、SS495的数学模型 当给SS495加5V 电压时，由SS495的输入输出特性可知，其输出电压与其所处位置的磁感应强度成正比，并带有2.5伏的静态偏移。 输出电压5.2B K U h +?=
当B 的范围在±320高斯范围内时，h U 在1.5~3.5的范围内变化。
2、MIC502的数学模型
MIC502把霍尔传感器的输出转变为占空比。 根据MIC502的特性知， 当输入为1.5到3.5时，MIC502输出占空比为0到1的PWM 信号。此时，MIC502的输出占空比B K U h ?=-?=)5.2(1ρ
当输入为2.5到3.5时，MIC502输出占空比为0.5到1。
当输入为2.5到1.5时，MIC502输出占空比为0.5到0。
3、LMD18201的数学模型
根据双极性PWM 的数学关系，知
s d U )12(U γρ=-=s U
? 当ρ>1/2时，γ为正，Ud>0； ? 当ρ<1/2时，γ为负，Ud<0； ? 当ρ=1/2时，γ =0，Ud=0。
s d U U γ=
因而，B K U U h s d ??=
当PWM 信号占空比ρ在 0 ~ ? ~ 1 的范围内变化时，使Ud 的输出平均电压系数为
γ = –1 ~ 0 ~ +1
4、螺线管的数学模型
螺线管的数学模型：
依据电磁学理论和基本回路方程可推得电磁铁线圈的端电压为
()()di
u t Ri t L
dt
=+ (2.15) 式中()u t ——电磁铁线圈的端电压(V)；
R ——电磁铁的等效电阻(Ω)；
L ——线圈自身的电感(H)。
()()()U s RI s LsI s =+ (2.17)
R
L 1
U(s))(I 2+=
s s 空心线圈电感量计算公式:
.44
0l/d d 01.0L 2+??=
N
线圈电感量 L 单位: 微亨； 线圈直径 d 单位: cm 线圈匝数 N 单位: 匝；
线圈长度 l 单位: cm
当l=2cm,d=1cm,N=100,L=100/2.44=40mL
5、悬浮体动力学方程
假设忽略小球受到的其他干扰力(风力、电网突变产生的力等)，则受控对象小球在此系统中只受电磁吸力F 和自身的重力mg 的影响。球在竖直方向的动力学方程可以如下描述：
定义力的方向，向下为正，向上为负。
电磁铁对悬浮体的吸引力为
2
)(),(F x
i
K x i -=
其中
4
K 20f
K AN μ=
(2.2)
2
sin f )(
4K osoid
ball R R = 式中
),(F x i ：电磁铁给被悬对象的引力(N)；
X ：小球质心与电磁铁磁极之间的气隙（以磁极面为零点），m i ：通过电磁铁线圈的电流(A)；
0μ：空气磁导率，大小为
7
410π-?(H/m)； A ：电磁铁铁芯磁极面积(m2)；
n ：线圈匝数。
在研究小球的运动特性时，需要对描述小球运动的变量定义坐标系，这里，
把小球的坐标原点定义为霍尔传感器的下平面，坐标的正方向为向下。
磁悬浮系统的参数 质量: m = 20g
永磁体半径 r=5mm 螺线管直径: D = 5mm 螺线管电阻：R = 18欧 螺线管匝数：N = 100匝 平衡状态电流：I 0 = 0.3A 平衡状态位置：x 0= 10mm
非线性方程的线性化
2)(),(F x
i
K x i -=
x)F(i,mg dt x
d m 22+=
*
静态平衡方程
)x ,F(i mg 00=+
以上建立的系统模型中存在着复杂的非线形关系，为便于分析和设计，这里对系统进行线性化处理。磁悬浮系统的电磁力是电流与位移的二元函数。为了将其线性化，将该式在点()00,i x 的邻域内按照二元函数的泰勒级数展开，并略去
高阶量得
)()(),(),(F 0000x x K i i K x i F x i x i -+-+= **
其中, Ki 和Kx 分别为：
20
2x Ki K i -
= 300
2x Ki K x =
K i 为平衡点处电磁力对电流的刚度系数， K x 为平衡点处电磁力对气隙的刚度系数。
把**代入*，得系统的线性化方程如下：
)()(dt
x
d m 0022x x K i i K x i -+-= 悬浮体动力学的传递函数模型
对上式两边作拉普拉斯变换，得：
)()()(m 2s X K s I K s X s x i -=
x
K s s X -m K I(s))
(2
i = 当K=0.00543 Nm2/A2，i0=0.698A ，x0=0.03m 时，
电流系数4.8K i -=，位置系数196K x =
196
-030.4
8.I(s))(2
s s X =
五、校正装置设计
x
v
a
f
B
i
output of SS495
120.05s+20Sinosoid2
Scope3
Scope2
Scope1
-8.4Ki<2
1s
Integrator21s
Integrator1
196Gain8
3200Gain3
10
Gain2
1/0.03
Gain1
In1
Out1
Controller1
.02
Constant3
0.001Constant2
0.698Constant1
1/3201/2
根据该系统的线性化模型
196-030.4
8.-I(s))(2s s X = 0
2050.12
U(s))(I +=s s Kh=10
则环路传递函数
196
-030.4
8.20s 05.121.0I(s))(2s s X +=
取Kp=10，未加入校正环节，系统特性为：
使用PD 校正，
磁悬浮列车设计方案
自制教具 磁悬浮列车 设计方案 一、制作材料：53cm × 20cm×3cm的木料、2cm×1cm×3mm的强力磁铁一百多块、小型铁钉一包、几片10厘米×5厘米的薄木片、53厘米×20厘米、21厘米×20厘米的玻璃各两快、若干装饰彩纸等材料。 二、制作工具：老虎钳、羊角锤、剪刀、尺子等。 三、制作过程： 1. 准备一块长方体木料，大小大致53cm×20cm×3cm，在53cm ×20cm长方形面上横向留出2条宽2厘米磁铁轨道槽，磁铁轨道槽上方用薄木片盖上，并用铁钉加以固定（这样可以防止强力磁铁在拼装过程中向外挤压，可以使强力磁铁的拼装更加方便。） 2. 磁铁轨道槽钉上薄木片以后，把磁铁按排列单位进行横向组合连续磁铁拼装，并将两条磁铁轨道槽拼装完整。两条轨道的磁铁排列呈左右对称方式。 3. 准备一块厚2cm的木料板，木料板宽度略小于53cm ×20cm×3cm长方体木料，长度自定。留出方式和53cm × 20cm×3cm 长方体木料相同。列车上的底面磁铁轨道拼装方式和53cm ×20cm×3cm长方体木料类似，磁铁方向也横向组合连续拼装，以
增强列车悬浮滑行的稳定性，列车上的两条底面磁铁轨道呈左右对称方式，宽度和53cm × 20cm×3cm长方体木料磁铁轨道相同。 4、依据53cm × 20cm×3cm长方体木料，制作底座，用以安放53cm × 20cm×3cm长方体木料。 5. 准备4块玻璃，长53厘米、宽20厘米，长21厘米、宽20厘米的玻璃各两块，再将这4块玻璃固定到长方体底座木料的前后左右四侧，玻璃下面部分和长方体底座木料对齐，成为列车防滑护栏板。为防止悬浮列车滑出两侧，在列车防滑护栏板左右两侧再固定几块小型防滑玻璃。这样即能保证磁悬浮列车的稳定性，又能保障高效的演示性。 6. 最后在根据个人喜好对磁悬浮列车模型进行装饰，模型即宣告制作完成。 注意：1、拼装要紧密； 2、磁铁片的同极向上； 3、拼装时，钉一次薄木片拼装一次，并钉钉抵住磁铁，防止磁铁向外挤压，用相同方法直至拼装完四条磁铁轨道槽。 使用说明： 1. 将磁悬浮列车模型的列车部分，磁铁面朝下横放入列车底座防滑护栏板之间，即能实现列车的有效悬浮，悬浮高度大约是3厘米。
哈工大_控制系统实践_磁悬浮实验报告
研究生自动控制专业实验 地点：A区主楼518房间 姓名：实验日期：年月日斑号：学号：机组编号： 同组人：成绩：教师签字：磁悬浮小球系统 实验报告 主编：钱玉恒，杨亚非 哈工大航天学院控制科学实验室
磁悬浮小球控制系统实验报告 一、实验内容 1、熟悉磁悬浮球控制系统的结构和原理； 2、了解磁悬浮物理模型建模与控制器设计； 3、掌握根轨迹控制实验设计与仿真； 4、掌握频率响应控制实验与仿真； 5、掌握PID控制器设计实验与仿真； 6、实验PID控制器的实物系统调试； 二、实验设备 1、磁悬浮球控制系统一套 磁悬浮球控制系统包括磁悬浮小球控制器、磁悬浮小球实验装置等组成。在控制器的前部设有操作面板，操作面板上有起动/停止开关，控制器的后部有电源开关。 磁悬浮球控制系统计算机部分 磁悬浮球控制系统计算机部分主要有计算机、1711控制卡等； 三、实验步骤 1、系统实验的线路连接 磁悬浮小球控制器与计算机、磁悬浮小球实验装置全部采用标准线连接，电源部分有标准电源线，考虑实验设备的使用便利，在试验前，实验装置的线路已经连接完毕。 2、启动实验装置 通电之前，请详细检察电源等连线是否正确，确认无误后，可接通控制器电源，随后起动计算机和控制器，在编程和仿真情况下，不要启动控制器。 系统实验的参数调试
根据仿真的数据及控制规则进行参数调试（根轨迹、频率、PID 等），直到获得较理想参数为止。 四、实验要求 1、学生上机前要求 学生在实际上机调试之前，必须用自己的计算机，对系统的仿真全部做完，并且经过老师的检查许可后，才能申请上机调试。 学生必须交实验报告后才能上机调试。 2、学生上机要求 上机的同学要按照要求进行实验，不得有违反操作规程的现象，严格遵守实验室的有关规定。 五、系统建模思考题 1、系统模型线性化处理是否合理，写出推理过程？ 合理，推理过程： 由级数理论，将非线性函数展开为泰勒级数。由此证明，在平衡点)x ,(i 00对 系统进行线性化处理是可行的。 对式2x i K x i F )(),(=作泰勒级数展开，省略高阶项可得： )x -)(x x ,(i F )i -)(i x ,(i F )x ,F(i x)F(i,000x 000i 00++= )x -(x K )i -(i K )x ,F(i x)F(i,0x 0i 00++= 平衡点小球电磁力和重力平衡，有 (,)+=F i x mg 0 |,δδ===00 i 00 i i x x F(i,x) F(i ,x )i ；|,δδ===00x 00i i x x F(i,x)F (i ,x )x 对2 i F(i,x )K()x =求偏导数得：
磁悬浮系统的PID控制
磁悬浮系统的PID控制
本科毕业设计（论文）题目: 磁悬浮系统的PID控制 姓名: 学号: 专业: 指导教师: 职称: 日期: 华科学院
摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 本设计毕业设计在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立其数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真研究，得出较好的控制参数。最后，本文对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。 关键词：磁悬浮系统控制器MATLAB软件PID控制
Abstract Magnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science．On the basis of analyzing of magnetic suspension system’s structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It get the better control parmeters by MATLAB software simulation studies.The key research works for further study are proposed at last． Key Word：Magnetic Levitation Ball System Digital Controller MATLAB PID Control
上海高速磁悬浮地面牵引供电系统
1 引言 近些年来，磁浮列车以其高速、节能、安全、舒适、环保等优点日益受到人们越来越多的关注。目前德国和日本是世界上磁浮列车研究最多的国家：德国已经研制了tr系列吸力型磁浮列车，并在埃姆斯兰建造了大型试验用的tve试验线;日本也研制了mlu系列斥力型磁浮列车和hsst系列吸力型磁浮列车，并修建了山梨试验线。我国也在积极开展这方面的研究工作，上海已从德国引进了tr08型磁浮列车，并已投入了商业运行，同时也拉开了消化吸收其先进技术的序幕。在磁浮列车运行系统中，合理有效的牵引供电系统是实现磁浮列车高速可靠运行的关键之一，故而成为本文的主要研究对象。 2 磁浮列车牵引供电系统概况 磁浮列车按照动力源（直线电动机）定子的长短相应可分为短定子直线电动机驱动的磁浮列车和长定子直线电动机驱动的磁浮列车。短定子直线电动机是将定子绕组安装在车体的底部，通过向磁浮列车提供变压变频的电源，由车上的短定子产生行波磁场; 轨道上安置结构较为简单的长转子，这种结构多用于直线异步牵引电动机的驱动系统。由于列车通过受流器供电，而高速受流困难使列车运行速度、异步电机的功率因数及效率均受到限制，因此该系统仅用于低速小功率短距离的电力牵引。长定子直线同步电动机驱动的磁浮列车的底部安置有直线电机的转子，整条轨道上安装同步电机的长定子绕组。磁浮列车内部对转子的供电简单，没有高速受流的困难。采用这种直线同步电动机驱动，适合于高速、大功率、长距离的电力牵引。德国和日本均采用这种系统。德国研制了常导吸浮式磁浮列车：由车上常导电流产生的电磁吸引力吸引轨道下方的导磁体，使列车浮起。常导电流比较容易获得，通常由蓄电池或感应式发电线圈等设备产生电流，供给同步直线电动机的转子。但常导系统电磁吸引力相对较小，列车悬浮高度约10mm，故对控制精度的要求很高。日本研制的超导斥浮型磁浮列车是由车上强大的超导电流产生极强的电磁场，该电磁场相对线路侧墙上的8字形导电环高速移动，使导电环感应出强大的环流，在8字形下半环中形成推斥磁场，而上半环中则形成吸力磁场，使列车悬浮。该悬浮系统是一个无需反馈控制的稳定系统，而且悬浮高度可在10cm左右，从而使控制相对简单。 3 上海高速磁浮列车的牵引供电系统［1］ 上海运营的高速磁浮列车是从德国引进的tr08型磁浮列车，采用长定子直线同步电动机和常导吸浮式系统。其牵引供电系统如图1所示，由高压变压器（110kv/20kv）、输入变压器、输入变流器、逆变器和输出变压器等主要部件构成。 磁悬浮列车牵引供电系统从110kv网压经高压变压器变为20kv，再由输入变压器和输入变流器变为±2500v的直流电压。从直流环节来的直流电压，由三相三点式逆变器产生可变频率（0～300hz）、可变幅值（0～×4.3kv）、可调相角（0～360°）的三相交流电。磁悬浮列车的牵引变流器有两种工作模式：
磁悬浮主轴设计
1前言 1.1 高速切削简介 高速切削的概念被提出后，经过了长期探索研究与发展后，才在近十几年被广泛应用在机械加工过程中。高速切削作为一种新兴的先进机械加工技术，与传统的机械加工技术相比，其具有一系列的优点。它集高效率、高加工精度、低功耗等于一体。高速切削解决了常规切削加工中一些长期存在而无法解决的问题，例如由于机械加工过程中，刀具的切削量很小，产生的切削热比较少并且绝大部分切削热被切屑及时带走，从而提高了刀具的切削寿命；随着切削速度的提高，在单位时间内被加工材料的去除率有了很大的提高，进而减少了切削时间，提高了工件的加工效率；高速切削的进给量小，因而切削力也就相对要小，而且形成的切屑能够在很短的时间内被排出，切削过程所产生的热量在还没有传导至刀具时，就被切屑带走了，这样就降低了刀具及工件上的切削热；由于高速切削可以达到很高的加工精度，所以在某些场合可以实现以车代铣、以铣代磨等工序。这些优点极大地缩短了产品的制造周期，这在竞争日益激烈的当代是很有发展前途的。 1.2 磁悬浮轴承简介 磁悬浮轴承也被人们称为磁力轴承，它是一种靠磁场力来承受载荷或将转子悬浮起来的一种新型的支承形式，根据不同的工作原理可将磁悬浮轴承系统分为三大类：主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和混合式磁悬浮轴承。主动磁悬浮轴承是利用可控电磁力来悬浮主轴转子的，它有主动电子控制系统；被动磁悬浮轴承是利用磁场本身的特性使主轴转子悬浮，它没有主动电子控制系统，其应用最多的是永磁轴承；混合式磁悬浮轴承是由主动磁悬浮轴承和被动磁悬浮轴承以及其他一些必要的辅助支撑共同组合而成的，它既有主动磁轴承的优点也有被动磁轴承的优点。为了便于设计制造，本设计中采用主动磁悬浮轴承磁悬浮轴承具有一系列的优点：定子与转子之间无接触，因而无摩擦，且功耗低，可以使主轴实现高速旋转；无需润滑和密封，因而可以简化系统结构的设计；支撑精度比一般的接触式轴承还高，工作稳定可靠。但是，其支撑刚度比接触式轴承要低，而且结构复杂，需要专门的控制系统，主轴上还要设计增加位移传感器，成本较高。 虽然磁悬浮轴承由多个磁极构成，但是为便于研究【2】，我们仍然可以将其简化为下图所示结构。
第四章 高速铁路与钢轨
第四章高速铁路与钢轨 第一节高速铁路对钢轨的质量要求 690．什么叫轮轨系统的高速铁路? 目前已经投入运营的高速铁路设计全部是采用轮轨系统，轮轨系统的高速铁路无论是总体设计，还是车体制造及线路施工维护技术都已成熟，这一系统已在世界各国运行了近40年。40年的运行证明了轮轨系统的高速铁路是成功的，并告诉人们这一系统在高速下运行是可靠的、安全的和高效的，被世界各国的政府和铁路部门所接受。 轮轨系统的高速铁路车速现已达到200～350km／h，全世界已建成的高速铁路总长约5000km。其中，日本有4条，法国有3条，英国有1条，德国有2条，西班牙有2条，波兰有1条。全世界在建或计划建的高速铁路约6000km，分布在13个国家，主要有日本、美国、中国、俄罗斯和韩国等。 采用轮轨系统的高速铁路，大多数是以大功率的电力机车或内燃机车为动力。高速铁路的线路采用小坡度，一般为0．8％～3．5％；线路曲线采用大半径，一般为2500～8000m。通常，人们把速度为200km／h的高速铁路定为第一代高速铁路，把速度为300km／h的高速铁路定为第二代高速铁路，把速度为350km／h的高速铁路定为第三代高速铁路。轮轨系统的高速铁路其实验车速已达到515km／h。到目前为止，世界各国已建成的和规划中的长距离的高速铁路基本上都是采用轮轨系统设计的。 691．什么叫磁悬浮系统的高速铁路? 磁悬浮列车是利用电磁原理和超导原理研制的一种高速列车。在电磁场产生的吸力或斥力作用下，列车被托起悬浮在线路上，靠线路上和车辆上的线性电机所产生的推力前进。与轮轨系统的高速列车相比，磁悬浮列车的车速可以更快，运行更平稳，又不产生污染，是一种理想的交通工具。但其技术难度大，目前尚在实验研究中。另外，磁悬浮高速铁路的投资比轮轨高速铁路的投资要高出20％～40％以上。 692．什么叫重载铁路? 现在，人们对“重载”(heavy haul)的概念往往仅指那些装运铁矿石、煤、磷矿等矿物的又长又重的货运列车，其实重载列车早已远远不拘于此。在北美有许多重载铁路，这些装载各种商品的又长又重的列车已运营多年。“重载”的概念随着社会生产力的发展也在变化，在1835年，那时所指“重载”是指采用蒸汽做动力的货运列车，它仅仅是相对于用马做动力的运客或运煤的四轮车而言的。 现代重载铁路的概念是由国际重载协会(IHHA)在1986年9月确定的，即重载铁路必须能让每列车载重量超过5000t、轴重大于21t的列车通过，且每年运量要超过2000万t的线路才能称为重载铁路。 重载铁路的出现，在历史上主要是看重其经济性。如美国和加拿大在边远山区采用超长和重载运输方式是经济的。为牵引这样的重载列车，在美国曾开发了最大牵引力的蒸汽机车“巨孩”号。这是在1941年由美国机车公司制造的。机车重达345t，有24个轮子。当时主要运行在夏延(Cheyenne)与怀俄明(Wyoming)线。列车全长约2442m，共牵挂90～100节车厢。该机车一直运行到蒸汽机车末期，现在被保留下来。其实在北美，轴重在30～35t的车辆并不少见，甚至可找到37t轴重车辆。当时由于经济发展的需要，曾开发出了35．7t轴重、125t装载量的车厢。应指出的是，重载运输即使是30～35t轴重列车，也会使桥梁的维修费成本升高到危险点。 现代重载铁路的铺设主要是用于运输煤、铁矿石和其他矿石。 693．什么叫自动化铁路? 自动化铁路．AGT(Automated Guideway Transit)是指列车的运营可以实现无人操纵，即从列车发出开车信号到列车启动、加速运行，以及在到站前的减速停车等，这一切均由计算
磁悬浮系统建模及其PID控制器设计
《Matlab仿真技术》 设计报告 题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计 专业班级电气工程及其自动化 11**班 学号 201110710247 学生姓名 ** 指导教师 ** 学院名称电气信息工程学院 完成日期： 2014 年 5 月 7 日
磁悬浮系统建模及其PID控制器设计 Magnetic levitation system based on PID controller simulation 摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。 随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。本设计以PID 控制为原理，设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。 在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立磁悬浮控制系统的数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真，得出较好的控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。 PID控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。 关键字：磁悬浮系统；PID控制器；MATLAB仿真
一、磁悬浮技术简介 1.概述： 磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。 1900年初，美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早期模型。并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。然而，当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。 1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念，同时指出：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。 1934年，德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。 在20世纪70、80年代，磁悬浮列车系统继续在德国蒂森亨舍尔测试和实施运行。德国开始命名这套磁悬浮系统为“磁悬浮”。 1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。 1970年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。 2009年时，国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注，国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。 2. 磁悬浮技术的应用及展望 20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车试验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车模型，以后命名为TR01型，该车在1km 轨道上的时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。在制造磁悬浮列车的
磁悬浮系统建模及其PID控制器设计
《Mａtlab仿真技术》 设计报告 题目磁悬浮系统建模及其PID控制器设计专业班级电气工程及其自动化１1**班 学号 2 学生姓名 *＊ 指导教师＊* 学院名称电气信息工程学院 完成日期： 201４年 5 月 7 日
磁悬浮系统建模及其ＰＩD控制器设计Magneｔｉc leｖｉtatiｏn systｅm bａｓe ｄon PＩD controｌlｅr sｉmulａtion 摘要 磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点,在能源、交通、航空航天、机械工业与生命科学等高科技领域有着广泛得应用背景。 随着磁悬浮技术得广泛应用,对磁悬浮系统得控制已成为首要问题。本设计以PID 控制为原理,设计出PＩD控制器对磁悬浮系统进行控制。 在分析磁悬浮系统构成及工作原理得基础上,建立磁悬浮控制系统得数学模型，并以此为研究对象,设计了ＰID控制器,确定控制方案,运用MATＬAB软件进行仿真，得出较好得控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。最后,本设计对以后研究工作得重点进行了思考，提出了自己得见解。 PＩD控制器自产生以来,一直就是工业生产过程中应用最广、也就是最成熟得控制器。目前大多数工业控制器都就是PID控制器或其改进型。尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现,但PID控制器还就是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点,处于主导地位。 关键字:磁悬浮系统;ＰID控制器;MＡTＬAB仿真 一、磁悬浮技术简介 1、概述: 磁悬浮就是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮得平衡状态,磁悬浮瞧起来简单,但就是具体磁悬浮悬浮特性得实现却经历了一个漫长得岁月。由于磁悬浮技术原理就是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体得典型得机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料得发展与转子动力学得进一步得研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。 1900年初,美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营得若干猜想--也就就是磁悬浮得早期模型。并列出了无摩擦阻力得磁悬浮列车使用得可能性。然而,当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段,未提出一个切实可行得办法来实现这一目标。 1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮得概念,同时指出:单靠永久磁铁就是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定得悬浮状态。
(完整版)基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业设计
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计 摘要 随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域，磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词现在已经广为人知。磁悬浮以悬浮力产生的原理分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。磁悬浮的控制系统是一个很复杂的问题。本文 研究的重点就是这两种磁悬浮的控制问题。 超导磁悬浮是利用处于超导状态下的超导体具有斥磁力的原理产生的。超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身，所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手，逐步深入地介绍超导体的基本物理性质，然后介绍超导磁悬浮系统的控制方法、过程和原理。 与超导磁悬浮相比，常导磁悬浮的应用就更为广泛，因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬
浮和引用非电磁性磁铁（稀土永磁铁、普通磁铁等）的磁悬浮。但是由于电磁铁便于控制和利用，所以利用电磁铁的磁悬浮义勇更为广泛。本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手，分析电磁铁式磁悬浮的原理，从而进一步研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。 在本文的最后，我利用在大学里所学的知识，结合本文的研究重点——磁悬浮装置的控制问题，做出了一个简单的电磁悬浮装置。这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁球在空中的来回反复运动，达到视觉上的悬浮效果。这虽然与实际的电磁铁悬浮控制方原理不同，但是利用这简单手段也能够达到相同的目的。这个实例给了我们一个启示：简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理，磁悬浮并不是遥不可及的。 关键词：常导磁悬浮，超导磁悬浮，磁悬浮的控制，演示实验装置，磁悬浮列车
磁悬浮球控制系统的仿真研究
磁悬浮球控制系统的仿真研究 王玲玲，王宏，梁勇 (海军航空工程学院，山东烟台 264000) 作者简介：王玲玲(1984—)，女，硕士，讲师，主要从事控制技术研究。 本文引用格式：王玲玲，王宏，梁勇.磁悬浮球控制系统的仿真研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):122-126. Citation：format:WANG Ling-ling, WANG Hong, LIANG Yong.Simulation and Research of Magnetic Levitation Ball Control System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):122-126. 摘要：针对磁悬浮球系统的本质不稳定性，设计PID控制算法实现系统的稳定控制。建立磁悬浮球系统的动力学模型，并对其中的非线性部分进行平衡点处的线性化，采用根轨迹校正设计超前滞后控制器。最后采用PID控制设计，并使用根轨迹校正中零极点对系统性能影响的思想去调整PID参数，使系统的稳定性、动态性能和稳态性能满足要求。 关键词：磁悬浮球系统；PID；根轨迹法；校正 磁悬浮可以用于实现各种机械结构的高速、无摩擦运转，如高速磁悬浮列车、高速磁悬浮电机、磁悬浮轴承等。尽管磁悬浮的应用领域繁多，系统形式和结构各不相同，但究其本质都具有本质非线性、不确定性、开环不确定性等特征。这些特征增加了对其控制的难度，也正是由于磁悬浮的这些特性，使其更加具有研究价值和意义。本文针对磁悬浮球系统，研究其稳定控制，并使其性能指标满足要求。 1 磁悬浮球控制系统的基本原理 磁悬浮球控制系统主要由铁芯、线圈、光电源、位置传感器、放大及补偿装置、数字控制器和控制对象钢球等部件组成[1]，如图1所示。 当电磁铁上的线圈绕组通电时，位于磁场中的刚体受到电磁力的吸引作用。当产生的电磁力与球体的重力相等时，球体悬浮于空中，处于不稳定的平衡状态，当它受到外界扰动时，易失去平衡。因此，为了使系统稳定，就必须加上反馈环节，实现闭环控制，并设计控制算法，使稳定后的性能满足要求。
说明文阅读《高速磁悬浮列车》
说明文阅读《高速磁悬浮列车》 （1）近日，随着国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项“磁浮交通系统关键技术”项目启动，我国时速600公里高速磁浮研发正式拉开序幕。 （2）2016年10月21号，我国轨道交通设备制造商中国中车股份有限公司宣布，将启动时速600公里高速磁浮项目的研发。近日，科技部认证微博再次发文称，该项目由中车青岛四方机车车辆股份有限公司牵头组织实施，将建成一条长度不少于5公里高速磁浮的试验线，研制一列设计时速600公里高速磁浮试验列车。与国外同类高速磁浮相比，悬浮能耗降低35%、电磁铁温升降低40℃、单位有效载荷车辆减重6%以上，最终建成具有影响力的高速磁浮运输系统协同创新与集成化试验平台。形成国际领先的标准规范体系和综合评估及评价方法。 （3）据了解，目前世界上在磁浮方面领先的是日本和德国。日本采用超导磁浮，最高试验时速603公里;德国采用常导磁浮，最高试验时速505公里。上海的磁浮线路采用德国技术，运营时速430公里。据中国之声《央广新闻》报道，科技部表示，这个项目的实施，将使磁浮交通运营的速度达到一个新高度，更进一步提升磁浮交通的舒适度，降低运行能耗，为后高铁时代做好前沿技术的储备。 （4）尽管中国铁路网尤其是高铁网的运营和再建规模、系统很大，但地域广、人口多、中东部地区城市密集的特点，使得中国的点对点大容量高速旅客的运输需求很大，比如上海到北京，成都和重庆之间。北京交通大学教授贾利民认为，磁悬浮技术是一种点对点大容量的运输技术，可以作为现在高速和城际铁路路网系统的有益补充。 1、（2分）与外国同类高速磁浮相比，我国研发的高速磁浮项目的优点是什么？ 2、（4分）高速磁浮项目的实施有哪些益处？ 3、（2分）指出下列句子所使用的说明方法。（一个括号内只能填写一种说明方法） 与国外同类高速磁浮相比，悬浮能耗降低35%、电磁铁温升降低40℃、单位有效载荷车辆减重6%以上。（）（） 4、（3分）是什么“使得中国的点对点大容量高速旅客的运输需求很大”？
上海磁悬浮(高速)列车
上海磁悬浮（高速）列车 Shanghai Maglev (Rapid) Train 上海磁浮示范运营线，是“十五”期间上海市交通发展的重大 项目，也是世界上第一条投入商业化运营的磁浮示范线，具有交通、 展示、旅游观光等多重功能。 上海磁浮示范运营线，西起上海地铁2号线龙阳路站，东到浦 东国际机场，主要解决连接浦东机场和市区的大运量高速交通需求。 线路正线全长约30公里，双线上下折返运行，设计最高运行速度为 每小时430公里，单线运行时间约8分钟。 从2004年3月29日起，磁浮列车调整了运行时间，由“工作 日半天运行、双休日全天运行”调整为每天早8：30至下午5：30全天运行，每20分钟一班，全天双向对开共54班。 同时，为了充分体现磁浮列车的交通优势，凡是搭乘飞机的旅客都可凭其本人当日机票以八折的价格购买磁浮单程票一张，即普通席40元或贵宾席80元。 对荣誉军人、离休干部、残疾人等特殊人群，上海磁浮交通发展有限公司也推出了凭证八折购票的优惠措施。同时，身高120cm 以下的儿童在成人陪同下免票。 车票为当日当班次有效，过期作废。每张车票票面均印有发车 时间，在发车前20分钟开始进站检票，发车前5分钟停止检票，为 了确保您的乘车，请至少在发车前20分钟到达乘车地点的检票口。 地点 ： 龙阳路磁悬浮站 票价 ： 单程 ： 普通席50元，贵宾席100元； 往返程 ： 普通席80元，贵宾席160元。 订票热线 ： 8008204800、63600688 Maglev Demonstration Line - from Pudong International Airport to Longyang Road Metro Station - the 30-kilometer trip will take only eight minutes. It is the world's first commercial magnetic levitation line.From March 29 2004, It was put into use formally and operates everyday from 8:30am to 17:30pm. The operation interval is 20 minutes . The round trip ticket cost 80 yuan and the one way ticket cost 50 yuan. Passengers with current day flight ticket can buy a one way ticket of Maglev Train at 20% discount. Add : Maglev Train Station of Longyang Rd Price(RMB) : One Way Ticket : 50, 100(VIP)
磁悬浮设计文档
项目设计 主题：基于MSP430F5438的交流磁悬浮控制器的设计 完成时间：2013.11.14 学生姓名：刘天月 指导教师：王庐山
○目○录 一、引言 (1) 二、MSP430F5438单片机简介 (1) 三、磁悬浮控制系统结构框图 (2) 四、系统功能实现分析 (2) 五、程序功能说明 (3) 六、程序清单（附） (5)
一、引言 磁悬浮是根据电磁感应原理和楞次定律,由交流电流通过线圈产生交变磁场，交变磁场使闭合的导体产生感生电流，感生电流的方向，总是使自己的磁场阻碍原来磁场的变化。因此线圈产生的磁场和感生电流的磁场是相斥的，若斥力超过重力，可观察到磁悬浮现象。交流磁悬浮控制器的设计采用MSP430F5438A单片机控制，由检测机构反馈高度电信号给单片机，再由MSP430F5438A单片机产生一路触发脉冲信号，控制交流调压模块电路的输出，从而实现对线圈高度的闭环控制。 二、MSP430F5438单片机简介 MSP430系列单片机是美国德州仪器公司研发的一款16位超低功耗单片机[3],因为其具有精简指令集的混合信号处理器,所以称之为混合信号处理器。该系列单片机具有如下特点: ◆处理能力强 MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 ◆运算速度快 MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 ◆超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1μA。 其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA 。 ◆片内资源丰富 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。
基于模拟电路的磁悬浮控制系统
基于模拟电路的磁悬浮控制系统 摘要：本文首先简要地介绍磁浮轴承的发展历程和国内外研究、应用状况，接着利用电磁学、电子学和控制理论对磁悬浮的原理进行了分析，建立了系统的数学模型。对电路参数进行分析，设计了基于模拟电路的磁悬浮控制系统。该系统采用电磁永磁混合支持，提高了系统稳定性并降低了系统功耗。 关键词：混合磁悬浮，霍尔传感器 0 引言 人类希望利用磁场力对物体进行无接触支撑的想法由来已久。20世纪初，科学家首次在实验室利用电流的磁效应实现了物体在空中自由悬浮。然而由于磁悬浮技术是一门涉及多种学科的综合性技术，其发展受到了多方面的制约。随着近几十年电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论、新型电磁材料及转子动力学的发展，磁悬浮技术才得到了长足的发展。特别是进入上世纪80年代，超导技术首先应用于磁悬浮。超导技术与磁悬浮技术的结合，新材料，新工艺，新器件的出现以及现代控制技术的发展，使电磁悬浮技术趋于成熟，磁悬浮技术有精度高、非接触和消耗能量少等优点。在能源紧张的今天,研究磁悬浮系统具有重要的实际意义。磁悬浮技术不仅可以应用于磁悬浮列车,而且在磁悬浮轴承、磁悬浮飞轮储能、航天器与电磁炮的磁悬浮发射、磁悬浮精密平台、磁悬浮冶炼等方面也有广泛应用。磁悬浮技术有着广阔的商业前景，适合商业应用。例如，磁悬浮可以用于广告牌悬浮、地球仪悬浮，科技展览、沙盘展示（空中楼阁）、悬空高档礼品等。因此，磁悬浮是一种能带动众多高新技术发展的具有广泛前景的应用技术。基于模拟电路的磁悬浮控制系统可以用来研究电磁式磁悬浮固有的开环不稳定性和非线性性。 1 磁悬浮系统的组成及原理分析 磁悬浮旋转装置主要由永磁体、铁芯、线圈、磁场传感器、功率放大器和控制器等组成。其结构如图a所示
中低速磁悬浮和轻轨、地铁的比较
中低速磁悬浮在城市轨道交通中的运用 磁悬浮技术的研究源于德国,1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,1934年他申请了磁悬浮列车的专利,1953年完成科学报告《电子悬浮导向的电力驱动铁路机车车辆》。20世纪70年代以后,世界工业化国家经济实力不断加强,为提高交通运输能力以适应经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始对磁悬浮运输系统进行开发,并取得令人瞩目的进展。 磁悬浮列车与传统轮轨列车不同，它用电磁力将列车浮起，导向和驱动。在运行时不与轨道发生摩擦，中低速磁悬浮列车（时速小于200km）在运行时发出的噪声非常低。此外，磁悬浮列车还具有速度高，制动快，爬坡能力强，转弯半径小，振动小，舒适性好等优点。在修建城市轨道交通线路的造价攀升的情况下，中低速磁悬浮线的性能价格比好的优势得以显示出来。 1 磁悬浮技术的种类 目前，载人试验获得成功的磁浮列车系统有3种，它们的磁悬原理和系统技术完全不同，不能兼容。 （1）用常导磁吸式（EMS）进行悬浮导向，同步长定子直线电机驱动的高速磁浮列车系统。以德国的TR（Trans rapid）磁浮列车系统为代表。TR采用常规电导吸引的方式进行悬浮和导向，悬浮的气隙较小，一般为 10mm 左右；由地面一次控制的直线同步电机驱动。我国上海机场磁悬浮线就是引进的德国 TR系统 （2）采用超导磁斥式（EDS)进行悬浮和导向，同步长定子直线电机驱动的高速磁浮列车系统。 高速超导磁悬浮列车以日本的ML系统为代表。车上的超导线圈在低温下进入超导状态，通电后产生很强的磁场，列车运动时，超导磁体使线路上的导体产生感应电流，该电流也将产生磁场，并与车上的超导磁体形成斥力，使车辆悬浮（悬浮高度较大，一般为100mm左右）。列车由地面一次控制的线性同步电机进行驱动，同步电机定子三相绕组铺设在地面线路两侧，无需通过弓网受电方式供电。
磁悬浮导轨毕业设计
安徽工程大学毕业论文 基于Solidworks的磁悬浮导轨 摘要 随着微机电系统(MEMS)及纳米技术的发展，对精密工作台的位移精度和动态特性等提出越来越高的要求。这就要求作为精密工作台的重要组成部分的导轨具有较高的位移分辨率、定位精度以及动态特性。 本论文针对传统导轨直接接触的固态导轨面之间存在着不可避免的摩擦力导致忽跳忽停的爬行现象，研究一种导向性能优异的磁悬浮导轨。考虑到传统磁悬浮导轨采用的电磁和超导磁悬浮技术不适合用于微定位系统环境，设计采用永磁悬浮导轨。同时，为悬浮的动导轨施加各个方向可调约束力，保证动导轨稳定运行。对磁材料进行深入对比，选择合适的材料。在结构设计时进行了力学平衡优化设计。最后利用solidworks软件，将所设计的磁悬浮导轨做成三维模型。 关键词：磁悬浮导轨；永磁铁；力学平衡
Research on the Structure of Maglev Guideway Based on Solidworks Abstract With the development of MEMS and nana technology, the demands of precision worktable on positioning precision and dynamic characteristic are even higher. This requires as an important part of precision worktable of guide rail has high displacement resolution, positioning accuracy and dynamic characteristics。 Since the inevitable friction force of solid state guide rail surface, traditional guide rail has the crawling phenomenon , that is,to jump or to stop. Thus a new magnetic suspension guide rail is studied with fine guidance acharacter. Since the technologies of traditional magnetic suspension guide rail and superconductivity magnetic suspension doesn’t fit the micro positioning system environment, the permanent maglev guide rail is designed. At the same time, each direction adjustable binding force is designed to achieve steady kinestate of the guide rail. A kind of appropriate material is chose through contrast of several magnetism materials. The optimization design is carried on mechanical balance. Three-dimensional model of maglev guideway is made by Solidworks software finally. Keywords: maglev guideway ,everlasting magnet, mechanics balance
PID控制器设计磁悬浮小球控制系统
MATLAB课程设计 课程名称：采用PID控制器设计磁悬浮小球控制系统 学院：电气工程学院 学号：P101813409 姓名：徐敏敏 班级：10级自动化一班 指导教师：杨成慧老师
目录 摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.系统分析与设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 2.1系统建模及仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.2建立磁悬浮小球系统框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.3 PID控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.4 仿真结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 2.5 总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 2.6 答谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 3.参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
摘要： 本文通过对一个磁悬浮小球的分析，简单的描述了磁悬浮列车的原理。控制要求通过调节电流使小球的位置始终保持在平衡位置。通过对磁悬浮小球系统进行数学建模，求出它的系统传递函数，采用PID算法设计调节器，对小球的稳定性进行了分析和仿真，在MATLAB平台仿真获得适当的PID参数范围，进行频域分析，使得磁悬浮小球系统处在平衡状态，在仿真过程中对PI,PD,及PID三种方式进行了比较和分析，对其加入扰动信号，即正弦扰动信号，观察输出波形，对扰动进行分析。本文通过对磁悬浮小球系统的分析，体现了MATLAB的强大功能，突出了它在运算以及作图仿真方面的优势。 关键字： MATLAB, PID控制器, 磁悬浮小球系统，稳定性 1.引言 磁悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”，亦称之为“磁垫车”。由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒