Acceleration Feedback Control of Bilateral Permanent Magnet and Electromagnetic Hybrid Electrodynamic Suspension
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摘要:
为提升永磁电动悬浮动态稳定性及减小低速运行时的阻力,研究一种双边永磁电磁混合型电动悬浮系统. 首先,基于麦克斯韦方程组推导系统电磁力2D解析式,对解析结果进行有限元数值计算验证,并对比单、双边结构电磁力特性;然后,建立系统悬浮动力学模型,并设计加速度反馈悬浮控制器;最后,利用Simulink仿真,对比分析在加速度反馈悬浮控制和气隙反馈PID控制下,系统受到轨道及载荷扰动时的气隙、加速度及电流波形. 研究结果表明:双边结构可有效增加系统浮阻比,100 km/h运行时单、双边结构浮阻比分别为3.18和15.43;当系统受到 ±1 mm轨道扰动时,控制器能使系统振动加速度及悬浮气隙分别快速稳定于0和20 mm额定位置;当系统受到 ±
2000 N载荷扰动时,加速度反馈悬浮控制器可使系统悬浮气隙分别快速稳定于19.05 mm和20.96 mm,而PID控制器则使得线圈电流分别稳定于4.43 A/mm2和 −4.66 A/mm2;当系统稳定运行时,加速度反馈悬浮控制下的线圈稳态电流均为0,而PID控制下的稳态悬浮气隙均为0,且当各种扰动消除后,系统均可快速恢复到初始额定运行状态.Abstract:To improve the dynamic stability of the permanent magnet (PM) electrodynamic suspension (EDS) and reduce the drag during low-speed operation, a bilateral PM and electromagnetic hybrid EDS system was studied. Firstly, a 2D analytical expression of the system electromagnetic force was derived based on Maxwell’s equations. The analytical results were verified by finite element numerical calculations, with a comparison of the electromagnetic force characteristics between unilateral and bilateral structures. Secondly, a suspension dynamic model of the system was established, and an acceleration feedback suspension controller was designed. Finally, a comparative analysis of the air gap, acceleration, and current waveforms under acceleration feedback suspension control and air gap feedback PID control was carried out through Simulink simulation when the system was subjected to track and load disturbances. The results show that the bilateral structure effectively increases the system float-to-drag ratio. At an operating speed of 100 km/h, the float-to-drag ratio for the unilateral and bilateral structures are 3.18 and 15.43, respectively. When the system is subjected to ± 1 mm track disturbances, the controller enables the system vibration acceleration and suspension air gap to quickly stabilize at rated positions of 0 and 20 mm, respectively. When the system is subjected to ± 2 000 N load disturbances, the acceleration feedback suspension controller allows the suspension air gap to quickly stabilize at 19.05 mm and 20.96 mm, respectively, while the PID controller stabilizes the coil current at 4.43 A/mm2 and −4.66 A/mm2, respectively. During stable operation, the steady-state coil current under the acceleration feedback suspension control is 0, while the steady-state suspension air gap under the PID control is 0. The system quickly returns to its initial rated operating state after the disturbances are eliminated.
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永磁电动悬浮(EDS)系统基于电磁感应原理,利用车载永磁体与非磁性导轨间的相对运动,在导轨中产生感生涡流,通过磁电作用实现列车悬浮[1-3]. 与复杂控制系统的电磁悬浮(EMS)和制冷设备的超导磁悬浮相比,该系统具有结构简单、可实现自稳定悬浮等优点[4-5]. 但永磁电动悬浮系统在低速运行时,阻力大,功耗大,该特性大大制约其在城轨交通中的应用[5-7]. 同时,由于欠阻尼特性,系统在受垂向扰动时容易产生长时间垂向振动,动态稳定性差,存在引发安全事故的风险[8].
为满足城轨交通的应用需求,降低永磁电动悬浮系统在低速运行时的阻力并提高其动态稳定性,国内外学者开展了大量研究. Kratz等[9]研究了一种“零电流”电动悬浮模式,通过使双边Halbach阵列垂向磁化方向相反、水平磁化方向相同,以增强悬浮力、降低阻力,并搭建实验平台进行性能测试,但未对其进行深入的理论研究. 陈殷等[10-11]对板式双边永磁电动悬浮电磁力特性进行研究,提出电磁力2D及3D解析计算方法,并搭建相应的实验平台进行验证. Post等[12-13]于1996年提出Inductrack永磁电动悬浮系统,将板式轨道改为线圈轨道,增大轨道感抗与电阻比值,进而有效提升系统浮阻比,但线圈轨道增大了建设成本,同时也带来电磁力脉动问题. 在如何提升永磁电动悬浮稳定性方面,Ko等[14-15]提出在车体上并排安装由永磁体及电磁铁构成的Halbach阵列,永磁Halbach阵列提供稳定悬浮于额定气隙的悬浮力,电磁铁则产生动态调节悬浮力;但由于永磁体磁场和电磁体磁场互相耦合,使得系统解析模型难以准确建立. 关炎培等[16-17]基于EDS和EMS混合磁浮系统对真空管道高速磁浮列车支承结构进行设计. 马于龙等[18]对电磁铁构成的Halbach阵列电动悬浮控制进行研究,仿真验证控制方法的有效性,但未给出空间磁场准确的数学模型. Chen等[19-20]通过实验方法对添加无源阻尼板前后的电动悬浮系统阻尼进行测量对比,验证阻尼板可增大系统阻尼. Zhao等[21]仿真分析了添加无源空心线圈对永磁电动悬浮稳定性的影响,但结果显示动态稳定性能提升并不明显. 乔冲等[22-23]设计了一种侧面布置永磁阵列的高速永磁电动悬浮架,利用侧面单边永磁电动悬浮磁阻力产生所需的阻尼力,该方案一定程度增加了系统阻尼,但性能有待提升.
基于上述研究,本文研究一种双边永磁电磁混合型电动悬浮系统,其双边结构可有效减小低速运行时的阻力,并通过控制线圈电流对悬浮动态稳定性进行调节. 首先,利用麦克斯韦方程组推导出系统电磁力2D解析式,并对比单/双边结构电磁力特性,证明双边结构可有效减小低速时阻力;其次,设计基于加速度反馈的悬浮控制器,利用极点配置法确定反馈增益参数;最后,搭建加速度反馈悬浮控制仿真模型,分析系统受到轨道及载荷扰动下的悬浮动态稳定性能,并与传统气隙反馈PID控制仿真结果进行对比,验证所设计加速度反馈控制器的准确性与适用性.
1. 电磁力计算
双边永磁电磁混合型电动悬浮示意如图1所示. 图中:lm、h分别为永磁体长度和高度,τ为Halbach阵列极距,δ为电磁线圈所占宽度,w1、w2分别为阵列模块和导体板横向宽度,l1、l2分别为阵列和导体板长度.
1.1 解析计算
上、下永磁电磁混合Halbach阵列在空间产生的源磁场傅里叶分解结果为[24]
{Bsx(x,y)=Q∑q=−Q[Sx1ejξxe−|ξ|y+Sx2ejξxe|ξ|(y−d)],Bsy(x,y)=Q∑q=−Q[Sy1ejξxe−|ξ|y+Sy2ejξxe|ξ|(y−d)], (1) 式中:Bsx(x, y)、Bsy(x, y)分别为空间位置(x, y)处源磁场傅里叶分解后的 x、y分量;ξ=2πq/l2,q为谐波次数;d为非磁性导体板厚度;Sxi、Syi (i=1, 2)为空间源磁场傅里叶分解系数,如式(2)所示.
{Sx1=1l2∫l2/2−l2/2Bsx1(x,0)e−jξxdx,Sy1=1l2∫l2/2−l2/2Bsy1(x,0)e−jξxdx,Sx2=1l2∫l2/2−l2/2Bsx2(x,d)e−jξxdx,Sy2=1l2∫l2/2−l2/2Bsy2(x,d)e−jξxdx, (2) 式中:Bsx1(x,0)、Bsy1(x,0)分别为上部Halbach阵列在导体板上表面(y=0)产生的x、y分量源磁场;Bsx2(x,d)、Bsy2(x,d)分别为下部Halbach阵列在导体板下表面(y=d)产生的x、y分量源磁场,且所有源磁场为Halbach阵列模块永磁体及线圈电流分别在空间中产生磁场的叠加,解析式推导过程可参考文献[24-25].
当车载Halbach阵列与导体板以速度vx发生相对运动时,根据麦克斯韦方程组及洛伦兹规范,可推导出各区域范围内矢量磁位A的标量方程及导体板感生涡流Js分别如式(3)、(4)所示[26].
∇2Ajz+k2jAjz={−μ0Js,j=2,0,j=1,3, (3) {Js=−γ2vxBsy(x,y),k2j=−jωμ0(γj+jωε0), (4) 式中:μ0为真空磁导率,kj为传播函数[26],γj为导体板区域(j=2)的导体板电导率或上、下气隙区域(j=1,3)的气隙电导率,ω为角频率(ω=−ξvx),ε0为真空介电常数, Ajz为各区域标量磁位.
根据文献[11],结合磁场边界条件及利用分离变量法,可对式(3)矢量磁位进行求解. 由矢量磁位A与磁感应强度B之间的函数关系B=∇ × A可得各区域磁感应强度为
{Bjx(x,y)=Bsx(x,y)+∂Ajz∂y = q=Q∑q=−Q˜Bjx(y)ejξx,Bjy(x,y)=Bsy(x,y)−∂Ajz∂x = q=Q∑q=−Q˜Bjy(y)ejξx, (5) 式中:Bjx、Bjy分别为区域j中磁感应强度x、y分量,˜Bjx(y)、˜Bjy(y)分别为y方向空间位置函数在区域j中磁感应强度的x、y分量.
利用麦克斯韦张量法,可求得系统阻力Fx及悬浮力Fy解析式分别为[11, 24]
{Fx=−w2l2μ0Re{Q∑q=−Q[˜B1x(0)˜B∗1y(0)+18˜B3x(d)˜B∗3y(d)]},Fy=−w2l22μ0Re{Q∑q=−Q[|˜B1y(0)|2−|˜B1x(0)|2+18|˜B3y(d)|2−|˜B3x(d)|2]}. (6) 1.2 仿真验证
为验证双边永磁电磁混合型电动悬浮2D电磁力解析式的准确性,根据表1所示系统参数,利用Ansys Maxwell搭建相应的有限元仿真模型[27],如图2所示. 表中,Br为永磁体剩磁,J为线圈电流密度,M为阵列一对极模块数,N为阵列模块数,c1、c2分别为上、下部悬浮气隙. 仿真计算得到系统磁力线分布及磁感应强度矢量图分别如图3、4所示. 图中,A为磁位的标量. 假设永磁体高度h=lm + 2δ,使得阵列模块xOy截面为正方形,以方便模块化制造.
表 1 系统参数Table 1. System parameters参数 数值 参数 数值 Br/T 1.27 J/( A·mm−2) 3 w1/mm 300 w2/mm 300 lm/mm 80 l2/mm 1800 h/mm 100 d/mm 5 M/块 4 γ2/(S·m−1) 3.77 × 107 N/块 8 c1/mm 20 δ/mm 10 c2/mm 40 利用解析模型和有限元模型分别计算运行速度在0~100 km/h内的电磁力. 对比计算结果如图5所示,并绘制浮阻比(Fy/Fx)曲线,如图6所示. 由图5可知,解析模型与有限元模型计算结果吻合良好,验证所推导电磁力解析式的准确性. 从图6可以看出,双边结构可明显增加系统浮阻比. 相比单边结构,双边结构的上、下阵列垂向磁化方向相反,削弱了产生涡流及阻力的y方向磁场,同时,上、下阵列水平磁化方向相同,增强了产生悬浮力的x方向磁场,最终使系统浮阻比增大. 当运行速度为100 km/h时,单、双边永磁电磁混合型电动悬浮系统浮阻比分别为3.18和15.43.
2. 加速度反馈悬浮控制器设计
2.1 动力学数学模型建立
根据牛顿第二定律,得到系统悬浮动力学方程为
m¨g=Fy−G−f, (7) 式中:m为车体质量,g为车载阵列与参考面间的绝对气隙,f为外界载荷扰动,G为车体重力.
额定悬浮点处的悬浮力F0与车体重量相等,即
F0 = G. (8) 对式(6)中悬浮力在额定悬浮气隙c0=20 mm及对应额定电流J0=0处进行线性化,如式(9)所示.
Fy=F0−kcΔc + kJΔJ, (9) {kc = −∂Fy∂c|(c0,J0),kJ = ∂Fy∂J|(c0,J0), (10) 式中:c、Δc分别为车载阵列与轨道间的悬浮气隙及其变化量,ΔJ为电流变化量,kc、kJ分别为悬浮力随气隙及电流的变化率.
由式(7)~(9)可得线性化动力学数学模型为
mΔ¨g=−kcΔc + kJΔJ−Δf, (11) 式中:Δg为车载阵列与参考面间的绝对气隙变化量,Δf为外界载荷扰动变化量.
结合式(6)及式(10),根据表1参数和额定悬浮点气隙及对应额定电流,可对参数kc、kJ 及车体质量m进行求解.
根据式(11)可得系统开环结构框图,如图7所示. 图中,Δr为外界气隙扰动变化量,s为复变量.
2.2 控制器设计
相比于电磁悬浮常用的气隙反馈PID控制[28],基于加速度反馈控制方法的悬浮控制器可通过悬浮气隙的变化来抵消外界载荷扰动,进而实现零功率控制. 对于具有较大悬浮气隙及散热要求高的永磁电磁混合型电动悬浮系统,加速度反馈悬浮控制器具有很好的适用性. 设计的加速度反馈悬浮控制系统如图8所示. 图中,ka、kv、kp分别为振动加速度、振动速度、车载阵列与参考面间绝对气隙变化量的控制参数,ωc为消除积分累计误差的高通滤波器截止角频率[29].
由图8可建立Δc相对ΔJ和Δf的闭环传递函数,进而得到特征方程为
G(s)=s3+(ωc+kJkvm + kJka)s2+kJkp+kcm + kJkas+kcωcm + kJka. (12) 采用极点配置法计算反馈增益参数,设定超调量Mp≤5%及调整时间ts≤0.2 s,可得期望特征方程为[28-29]
G(s)=s3+240s2+8839.9s+167980. (13) 对比式(12)、(13),并根据文献[30]对ka的限制要求,求得kp=
4.4375 × 104,kv=2.3656 × 102,ka=0.9257 ,ωc=197.4 rad/s. 利用Simulink搭建加速度反馈悬浮控制仿真框图,如图9所示.3. 仿真分析
选取 ±1 mm和 ±
2000 N分别代表现场轨道扰动及载荷扰动,作用时间均为0.3~0.7 s,仿真时间为1 s,运行速度为100 km/h. 用变量r代表外界扰动,a代表车体振动加速度,且存在等量关系g=c + r. 同时,基于气隙反馈PID控制器设计方法[28],对永磁电磁混合型电动悬浮PID控制悬浮动态性能进行对比仿真分析.3.1 轨道扰动
当系统受到 ±1 mm轨道扰动时,通过设计的加速度反馈悬浮控制器及气隙反馈PID控制器,得到系统绝对气隙、悬浮气隙、振动加速度及线圈电流如图10所示.
由图10可知:在加速度反馈悬浮控制下,振动加速度可快速稳定于0,且最大振幅不超过1 m/s2;悬浮气隙能快速稳定于20 mm额定位置,绝对气隙随着扰动量变化而变化,且满足g=c + r;线圈电流最大变化量为3.2 A/mm2,且稳态值均为0;而在PID控制下,气隙动态响应虽略有优势,但电流与加速度振幅大,动态响应更差.
3.2 载荷扰动
当系统受到 ±
2000 N荷载扰动时,控制结果如图11所示.由图11可知:在加速度反馈悬浮控制下,加速度在最大振幅不超过 1 m/s2的情况下快速稳定至 0;悬浮气隙(与绝对气隙大小相等)从初始的 20 mm 快速稳定至19.05 mm和20.96 mm,以抵消外界荷载扰动的影响;线圈电流最大变化量仅为3.1 A/mm2,且稳态值均为0. 在PID控制下,气隙和加速度能分别较快地恢复到20 mm及0额定值,但线圈电流从初始0额定值分别稳定于4.43 A/mm2和 −4.66 A/mm2. 这表明,与改变线圈电流的PID控制相比,加速度反馈悬浮控制能够通过调节气隙有效抵消外界荷载扰动. 对于本文研究的双边永磁电磁混合型电动悬浮系统,由于其结构散热较困难,因此更适合采用加速度反馈悬浮控制方式.
4. 结 论
本文研究了双边永磁电磁混合型电动悬浮电磁力特性及其悬浮控制器设计,并利用Simulink仿真分析了系统悬浮动态稳定性.
1) 相比于单边永磁电磁混合型电动悬浮结构,双边结构可明显增加系统浮阻比,当运行速度为100 km/h时,单、双边永磁电磁混合型电动悬浮系统浮阻比分别为3.18和15.43,表明双边结构更适用于城市轨道交通.
2) 系统在受到 ±1 mm轨道扰动或 ±
2000 N载荷扰动时,加速度反馈悬浮控制下,振动加速度均能以最大振幅不超过1 m/s2快速稳定于0,系统具有良好的动态稳定性,且稳态电流值均为0,实现零功率稳态悬浮,可有效降低永磁电磁混合结构的发热和能耗.3) 系统在受到 ±
2000 N载荷扰动时,加速度反馈悬浮控制下的悬浮气隙从初始20.00 mm额定位置快速稳定至19.05 mm和20.96 mm,而气隙反馈PID控制则通过改变线圈电流,从初始的 0 稳定至 4.43 A/mm2和 −4.66 A/mm2,以抵消外界荷载扰动的影响. 因此,对于散热较困难的永磁电磁混合型电动悬浮更适合采用加速度反馈悬浮控制方式. -
表 1 系统参数
Table 1. System parameters
参数 数值 参数 数值 Br/T 1.27 J/( A·mm−2) 3 w1/mm 300 w2/mm 300 lm/mm 80 l2/mm 1800 h/mm 100 d/mm 5 M/块 4 γ2/(S·m−1) 3.77 × 107 N/块 8 c1/mm 20 δ/mm 10 c2/mm 40 -
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