基于Ansys的磁懸浮平臺(tái)仿真研究開題報(bào)告

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師課題名稱基于Ansys的磁懸浮平臺(tái)仿真研究課題來源自擬（課題的立題依據(jù)及研究意義〉本課題研究的磁懸浮平臺(tái)是磁懸浮技術(shù)研究領(lǐng)域里的熱點(diǎn)之一。磁懸浮平臺(tái)技術(shù)是一種綜合了電磁學(xué)、控制理論及電力電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域的交叉學(xué)科技術(shù)，具有無接觸、無摩擦、無噪聲、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)新穎等優(yōu)勢(shì)，因而在航空航天、微電子制造、精密定位、微細(xì)加工等眾多領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用，也在磁懸浮技術(shù)研究領(lǐng)域中獲得了越來越廣泛的關(guān)注［1］［2］。本課題的研究?jī)?nèi)容主要包括：熟悉并了解磁懸浮平臺(tái)的原理和控制理論，熟練掌握A

2、nsys有限元仿真建模和電磁場(chǎng)分析方法，針對(duì)磁懸浮平臺(tái)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析和原理驗(yàn)證的仿真實(shí)驗(yàn)。（課題研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及可能的發(fā)展方向〉發(fā)展現(xiàn)狀：磁懸浮平臺(tái)技術(shù)是一種綜合了電磁學(xué)、控制理論及電力電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域的交叉學(xué)科技術(shù)，具有無接觸、無摩擦、無噪聲、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)新穎等優(yōu)勢(shì)［3］。因而在航空航天、微電子制造、精密定位、微細(xì)加工等眾多領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。磁懸浮平臺(tái)的發(fā)展階段主要分為三個(gè)方面：第一代磁懸浮技術(shù)，也稱為吸力型磁懸浮技術(shù)，是靠磁性材料之間的吸引力克服物體的重力使其懸?。坏诙艖腋〖夹g(shù)，也稱為斥力型磁懸浮技術(shù)，是靠磁性材料Z間的斥力克服物體的

3、重力使其懸浮；第三代磁懸浮技術(shù)，也稱為混合型磁懸浮技術(shù)，磁性材料之間既有吸引力也有斥力，二者相互作用克服重力使其懸浮。磁懸浮技術(shù)的研究源于德國(guó)，它利用磁力使物體懸浮起來，滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置高速、低磨損、低能耗的需要，并提高振動(dòng)控制水平。磁懸浮技術(shù)集成了電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。早期的磁懸浮技術(shù)研究非常緩慢，20世紀(jì)60年代以來，由于控制理論的飛速發(fā)展、數(shù)字控制技術(shù)的引入以及電子技術(shù)和磁性材料技術(shù)的發(fā)展，使得磁懸浮技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展。其在工程上的成熟應(yīng)用是磁懸浮軸承［4］和磁懸浮列車［5］。磁懸浮列車根據(jù)懸浮原理的不同分為常導(dǎo)

4、型和超導(dǎo)型兩大類。前者以德國(guó)高速常導(dǎo)磁浮列車Transrapid為代表，后者以日本磁懸浮列車為代表。磁懸浮軸承大體分為傳統(tǒng)的磁懸浮軸承（需要位置傳感器）和無傳感器的磁懸浮軸承。我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始了磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)研究。目前，利用磁懸浮技術(shù)的磁懸浮裝置主要有吸力型和斥力型，兩者都是通過霍爾傳感器檢測(cè)磁密的大小來間接反映出懸浮磁體的偏移，來改變線圈中電流大小，從而達(dá)到控制懸浮磁場(chǎng)強(qiáng)弱的冃的，使得懸浮物所受磁拉力與重力達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)懸浮。吸力型的線圈位于懸浮物上方且兩者之間的作用力為吸力，但由于懸浮物的磁拉力完全由線圈提供，導(dǎo)致系統(tǒng)功率、體積都偏大。斥

5、力型的線圈則位于懸浮物的下方。無論是吸力型或是斥力型，常用的控制都是基于普通PID控制，普通PID會(huì)引起微分振蕩問題，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能不佳［6］。按作用力可大致分為2類［7］［8］:第一類中懸浮力和推力由不同部件分別完成，這直接從機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了懸浮力和推力間的解耦，控制較為簡(jiǎn)單，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求加工精度很高，工藝復(fù)雜；第二類屮懸浮力和推力由同一部件提供，該種結(jié)構(gòu)下，懸浮力與水平驅(qū)動(dòng)力之間存在強(qiáng)烈的非線性耦合，控制較為復(fù)雜，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)加工精度要求不高，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。按磁懸浮定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)維度又可分為：一維、二維和三維的磁懸浮平臺(tái)

6、［9］。其屮一維磁懸浮平臺(tái)多是應(yīng)用在直線電機(jī)屮，其動(dòng)子部件釆用磁軸承式結(jié)構(gòu)或是導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁浮支撐,其中導(dǎo)軌式有U型和V型，；二維磁懸浮定位平臺(tái)(也稱為磁懸浮平面電機(jī))的運(yùn)用較為廣泛，采用z向磁浮支撐加平面電機(jī)可實(shí)現(xiàn)平面定位運(yùn)動(dòng)(x、y和Rz);三維磁懸浮平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)空間(6個(gè)自由度)定位運(yùn)動(dòng)。課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)電機(jī)加載電流的不同，磁懸浮定位平臺(tái)可分為直流型和交流型。直流型優(yōu)點(diǎn)是可控性好但效率低，交流型優(yōu)點(diǎn)是效率高但控制復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外基本上是采用Halbach陣列的交流驅(qū)動(dòng)和單向磁場(chǎng)的直流驅(qū)動(dòng)這兩種方式。肓流控制采用單向磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)利用

7、率一般都比交流控制使用的Halbach陣列要低，但是它繼承直流電機(jī)良好的調(diào)速性能，從而提高平面運(yùn)動(dòng)的控制效果。而采用Halbach陣列的平面電機(jī)其控制要復(fù)雜得多，交流伺服總比直流伺服難以控制，即使采用了矢量變換技術(shù)也一樣。發(fā)展趨勢(shì)：冃前，國(guó)內(nèi)外對(duì)磁懸浮的研究主要集屮在高速磁懸浮列車、懸浮軸承和微機(jī)電系統(tǒng)裝備方面。為了使磁懸浮定位平臺(tái)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，還需要在以下兒個(gè)方面進(jìn)一步開展研究工作：(1)新型磁懸浮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。磁懸浮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的解耦有很大影響，設(shè)計(jì)磁懸浮平臺(tái)時(shí)，應(yīng)在滿足實(shí)際要求的前提下盡量對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以減小系統(tǒng)各自由度Z間

8、的耦合，從而使系統(tǒng)更精確、更容易控制。(2)磁懸浮平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)耦合