CN104728265A - 混合励磁导向系统的导向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合励磁导向系统的导向控制方法，目的是解决混合悬浮导向系统的非接触导向调节。该方法中混合励磁导向系统为永磁、电励磁控制绕组构成的动子导向组件和定子方形轨道构成，永磁产生固有偏置磁场，两个独立的控制绕组产生调节磁场，永磁场和电流调节磁场共同与定子方形轨道作用产生导向控制力。两个控制绕组同时通入同向同值电流产生X向电磁力，同时通入异向同值电流产生Y向电磁力，两个控制绕组的电流大小和方向的不同组合，通过电流控制器实现动子导向组件的X向和Y向位移控制。本发明提出一种解决混合悬浮导向系统的非接触导向调节的混合励磁导向系统的导向控制方法。

Description

混合励磁导向系统的导向控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合励磁导向系统的导向控制方法。

背景技术

随着社会经济的发展，人们越来越多的建设高层和超高层大楼，比如，阿拉伯联合酋长国的迪拜塔总高828米，共162层；沙特阿拉伯王国的麦加皇家钟塔饭店高601米，共95层；上海中心大厦高632米，共125层；台北101金融中心高509米，共106层；马来西亚首都的双峰塔高457米，共88层。目前还有多个摩天大楼处在规划和建设阶段。随着楼层高度的不断增加，需要配置高速电梯，传统的机械导轮或滑靴接触导向方式已不满足实际运行的需要：受到导靴摩擦力限制，轿厢运行速度难以大幅提高；在高速运行过程中，导靴磨损严重，维护量大；由于偏差和错位引起的振动和噪声影响了乘坐的舒适性等。基于此，人们又提出了非接触型电磁导轨，通过电磁力无磨损的导向，无需润滑油，和传统机械导向系统相比，由于无摩擦运行，电梯可以运行在更高的速度，同时，通过电磁调节控制导向系统的阻尼率，可以大幅改善乘坐舒适性。申请公布号为CN102689830A的中国发明专利“磁悬浮电梯导向系统及其控制方法”，公布了一种利用U型电磁铁实现非接触的磁悬浮导向装置及电梯系统，该发明采用8个对角布置的电磁导向装置来保持轿厢状态，虽然实现了非接触导向运行，但其所用电磁铁数量多、占用空间大、控制复杂，控制电流大，电能损耗大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提出一种解决混合悬浮导向系统的非接触导向调节的混合励磁导向系统的导向控制方法。

本发明的技术方案如下：一种混合励磁导向系统的导向控制方法，其中所述混合励磁导向系统主要由永磁及电励磁控制绕组构成的动子导向组件和定子方形轨道构成，永磁产生固有偏置磁场，两个独立的永磁及电励磁控制绕组产生调节磁场，永磁场和电流调节磁场共同与定子方形轨道作用产生导向控制力；两个控制绕组同时通入同向同值电流产生X向电磁力，同时通入异向同值电流产生Y向电磁力，两个控制绕组的电流大小和方向的不同组合，实现动子导向组件的X向和Y向位移控制；该混合励磁导向系统的导向控制方法的实现步骤如下：

步骤1：基于有限元分析计算得到动子导向组件X向位移对应的X向电磁力与X向控制电流Ix之间的“X向位移—Ix电流”映射关系，以及Y向位移对应的Y向电磁力与Y向控制电流Iy之间的“Y向位移—Iy电流”映射关系；

步骤2：通过位移传感器获得动子导向组件的X向位移和Y向位移；

步骤3：根据X向位移和Y向位移的大小，将X向位移和Y向位移的控制电流解耦，由“X向位移—Ix电流”映射关系得到动子导向组件X向位移时在两个控制绕组中通入电流矩阵为 $\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right],$ 以及由“Y向位移—Iy电流”映射关系得到动子导向组件Y向位移时在两个控制绕组中通入电流矩阵为 $\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ {-I}_y\end{array}\right],$ 其中，Ix和Iy均为电流绝对值；

步骤4：根据X向位移和Y向位移的方向性，确定X向控制电流Ix的极性系数Xa，以及Y向控制电流Iy的极性系数Ya，Xa和Ya的取值集合为{1，-1}；

步骤5：将X向位移控制电流叠加到Y向位移控制电流，最终获得两个控制绕组中实际应通入的合成电流矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]=X_a\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right]+Y_a\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ {-I}_y\end{array}\right],$ 展开得到：

步骤6：将I1和I2作为电流给定值，通过电流控制器控制逆变器中的功率管，实现两个控制绕组中的电流控制，进而实现动子导向组件的导向控制。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：本发明提出的导向控制方法，适合于混合励磁的导向控制系统，通过位移量来判定和解耦控制电流，对X、Y两个方向既可以独立控制，也可以联合控制，控制模式灵活多样；利用该方法实 现的导向控制算法简单、执行速度快，悬浮体动态响应快。另外，利用该方法实现的导向控制器的体积小，重量轻，功耗低，在电梯、升降机等垂直导向场合具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的混合悬浮导向系统的横截面示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明的两个控制线圈通入“左正右正”电流时的磁路示意图。

图4为本发明的两个控制线圈通入“左负右负”电流时的磁路示意图。

图5为本发明的两个控制线圈通入“左正右负”电流时的磁路示意图。

图6为本发明的两个控制线圈通入“左负右正”电流时的磁路示意图。

图7为本发明的导向控制硬件结构示意图。

图8为本发明的导向控制框图。

图中标注分别为：1.左轭铁，11.左齿气隙，12.右齿气隙，2.右轭铁，3.永磁体，31.永磁轭磁路，32.永磁齿磁路，4.导轨，5.左线圈绕组，51.左绕组磁路，6.右线圈绕组，61.右绕组磁路，7.左齿，8.右齿，9.左臂气隙，10.右臂气隙。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

混合励磁导向系统的导向控制方法，其中的混合励磁导向系统，如图1和图2所示，包括导轨(4)和导向组件(40)，导向组件和导轨之间可以无接触的自由相对运动。所述导轨(4)为矩形截面的条状，导轨(4)竖直固定在井道壁上。导向组件(40)由左轭铁(1)，右轭铁(2)，永磁体(3)，左线圈绕组(5)，右线圈绕组(6)，左齿(7)和右齿(8)组成。左轭铁(1)为C形槽状体，具有相互平行的水平上臂和下臂，右轭铁(2)是与左轭铁(1)结构完全相同的C形槽状体，二者槽口相对、左右对称设置在导轨(4)两侧构成半环抱结构，左右两边的结构完全对称。左轭铁(1)上臂和右轭铁(2)上臂之间设置导轨(4)， 导轨(4)的左右两个侧面分别与左轭铁(1)和右轭铁(2)的两个上臂端面之间形成左臂气隙(9)和右臂气隙(10)；左轭铁(1)下臂端面和右轭铁(2)下臂端面之间无缝隙的设置矩形永磁体(3)，左轭铁(1)和右轭铁(2)经永磁体(3)连接成为一体；左轭铁(1)下臂和右轭铁(2)下臂沿竖直向上方向分别对称设置折条状的左齿(7)和右齿(8)，左齿(7)和右齿(8)分别对应套有左线圈绕组(5)和右线圈绕组(6)；左齿(7)和右齿(8)的顶端端面与导轨(4)的前侧面平行并设置有左齿气隙(11)和右齿气隙(12)，两气隙长度相等。

本发明的混合励磁导向系统，其两套线圈绕组完全处于左轭铁(1)和右轭铁(2)形成的环抱结构内部，便于防护绕组、安全性高，整体体积可以做得较小，铁芯利用率高。所述的永磁体(3)采用稀土永磁材料或钕铁硼永磁材料制成，磁性能高，能进一步降低装置体积。所述的左轭铁(1)、右轭铁(2)、左齿(7)和右齿(8)均采用导磁良好的电工纯铁或硅钢制成，可以显著减小漏磁场。

如图3所示，为水平磁化的永磁体3产生的两条并联磁路分别为永磁齿磁路31和永磁轭磁路32，采用虚线标出。左右齿上设置的线圈绕组作用时形成左绕组磁路51和右绕组磁路61两个独立磁路，采用实线标出。左绕组磁路51经过左齿7、左齿气隙11、导轨4、左臂气隙9、左轭铁1形成回路，右绕组磁路61经过右齿8、右齿气隙12、导轨4、右臂气隙10、右轭铁2形成回路，绕组线圈磁路不经过永磁体3。左右两个线圈绕组采用绝缘铜线绕制，绕向相同，可独立通入不同方向的电流，形成不同方向的电磁通。为说明方便，当左线圈绕组通入电流产生+Y方向磁通，记为“左正”，当通入电流产生-Y方向磁通，记为“左负”；当右线圈绕组通入电流产生+Y方向磁通，记为“右正”，当通入电流产生-Y方向磁通，记为“右负”。

左右两个电磁线圈绕组的导向调节原理如下：

图4中，当两个控制线圈通入“左正右正”幅值一样的直流电流时，在左齿、右齿中分别产生竖直朝上的电磁通，可知，在Y方向上，导向组件的两个齿与导轨间仅有同侧气隙，电磁通与永磁体叠加后，左齿气隙11中磁通减小，右齿气隙12中的磁通增加，由于磁场吸力与磁通的平方成正比，左齿7吸力减小，右齿8吸力增加，整体上两个齿受到的Y向合成吸力不变。而在X方向，左气隙中的合成磁通增加，右气隙中的合成磁通减小，导向组件的轭铁左臂受力增加，轭铁右臂受力减小，导向组件受到的合成吸力为+X方向。

图5中，当两个控制线圈通入“左负右负”幅值一样的直流电流时，在左齿、右齿中分别产生竖直朝下的电磁通，可知，在Y方向上，导向组件的两个齿与 导轨间仅有同侧气隙，电磁通与永磁体叠加后，左齿气隙11中磁通增加，右齿气隙12中的磁通减小，由于磁场吸力与磁通的平方成正比，左齿7吸力增加，右齿8吸力减小，整体上两个齿受到的Y向合成吸力不变。而在X方向，左气隙中的合成磁通减小，右气隙中的合成磁通增加，导向组件的轭铁左臂受力减小，轭铁右臂受力增加，导向组件受到的合成吸力为-X方向。

图6中，当两个控制线圈通入“左正右负”幅值一样的直流电流时，在左齿、右齿中分别产生竖直朝上和竖直朝下的电磁通，可知，在Y方向上，导向组件的两个齿与导轨间仅有同侧气隙，电磁通与永磁体叠加后，左齿气隙11中磁通减小，右齿气隙12中的磁通也减小，Y方向合力减小，而在X方向，左气隙中的合成磁通增大，右气隙中的合成磁通增大，导向组件受到的合成吸力为0。

图7中，当两个控制线圈通入“左负右正”幅值一样的直流电流时，在左齿、右齿中分别产生竖直朝下和竖直朝上的电磁通。可知，在Y方向上，导向组件的两个齿与导轨间仅有同侧气隙，电磁通与永磁体叠加后，左齿气隙11中磁通增加，右齿气隙21中的磁通也增加，Y方向合力增加。而在X方向，左气隙中的合成磁通减小，右气隙中的合成磁通也减小，导向组件受到的合成吸力为0。

总结以上规律，当两个控制线圈通入方向相反、幅值一样的直流电流时，X方向合力为0，Y方向合力可变；当两个控制线圈通入方向相同、幅值一样的直流电流时，X方向合力可变，Y方向合力不变。也就是说，通过组合改变两个控制绕组中的电流方向，可以独立调节导向组件X和Y方向的电磁力。

图8为本发明的导向控制硬件结构示意图，包括：整流电路、滤波电路、驱动电路、两路桥式逆变电路、悬浮导向系统、X向和Y向位移传感器、位移量采集电路、控制绕组电流传感器、中央控制单元等。逆变电路采用IGBT或MOFET，中央控制器采用单片机或者DSP数字处理芯片。绕组电流采集电路采用霍尔电流传感器与运算放大器结合。悬浮模块在X、Y方向位移偏移采集电路采用电涡流传感器后置差动电路组成。

混合励磁导向系统的导向控制原理为：绕组电流采集电路、XY向偏移量采集电路输出弱电信号送到A/D转换模块，然后送到中央处理单元，根据存储器中存储的“位移-电流”关系表格、以及导向模块XY方向偏移量采样值，依据本发明导向控制电流解耦策略，计算出两个独立控制绕组的电流给定。再采用电流PID控制策略，计算出逆变器控制信号，然后经驱动电路去控制逆变电路中的功率开关管动作，分别控制两个绕组中的电流，产生X方向或Y方向的吸力，将导向组件拉回平衡位置。同理，不论导向组件受到向左、向右、向上或向下的外扰动，带位置负反馈的混合励磁导向系统通过控制器控制两个线圈中的电 流大小和方向，调节各气隙磁通的大小，始终能保持导向组件在平衡位置。本发明体积小，重量轻，功耗低，在电梯、升降机等垂直导向场合具有广阔的应用前景。

图8为本发明的导向控制框图。根据前述混合励磁导向系统的工作原理分析可知，其两个励磁绕组通入不同的电流，可产生不同方向的电磁力。假设两个励磁绕组的匝数、绕向一致、电流绝对值相同，其基本工作模式主要有四种：

①同为正电流且同值，记为[+Ix,+Ix]，产生负的横向力，记为-Fx；

②同为负电流且同值，记为[-Ix,-Ix]，产生正的横向力，记为+Fx；

③一正电流一负电流且同值，记为[+Iy,-Iy]，产生正的竖向力，记为+Fy；

④一负电流一正电流且同值，记为[-Iy,+Iy]，产生负的竖向力，记为-Fy。

所述的混合励磁导向系统的导向控制方法的实现步骤如下：

步骤1：利用有限元分析计算得到动子导向组件X向位移对应的X向电磁力与X向控制电流Ix之间的“X向位移—Ix电流”映射关系，以及Y向位移对应的Y向电磁力与Y向控制电流Iy之间的“Y向位移—Iy电流”映射关系；

步骤2：该位移-电流关系一般采用有限元计算软件根据具体的悬浮系统参数计算得到，即X向位移、Y向位移分别与控制电流Ix和Iy的数值关系；

步骤3：则对于动子导向组件在任意方向的位移偏移量，可以按照前述四种基本工作模式将电流解耦分析，然后再合成，即：根据电流与位移偏移量的上述映射关系，分别得到X，Y两个方向的电流分量矩阵 $\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ -I_y\end{array}\right],$ 表示仅产生X向电磁调节力时，两个控制绕组中应通入等值同向电流Ix；仅产生Y向电磁调节力时，两个控制绕组中应通入等值异向电流Iy；

步骤4：根据X向位移和Y向位移的方向性，确定X向控制电流Ix的极性系数Xa，以及Y向控制电流Iy的极性系数Ya，Xa和Ya的取值集合为{1，-1}；

其中，Xa，Ya分别为标记X方向、Y方向的符号集，Xa取值集合为{1,-1}，标记X方向的正值或负值；Ya取值集合为{1,-1}，标记Y方向的正值或负值。

在实际控制过程中，通过位移传感器分别测得悬浮体的X向位移和Y向位移，控制器根据前述四种基本工作模式对X向和Y向位移进行极性辨识，确定Xa、Ya的取值。

步骤5：这样，当动子导向组件实际具有X、Y两个方向的位移偏移时，可将上述X向和Y向电流叠加合成，构成实际的绕组控制电流，可以并行调节X，Y两个方向的电磁力，进而调节X，Y方向的位移。写成数学表达式，两个线圈的电流量矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]=X_a\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right]+Y_a\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ {-I}_y\end{array}\right]$

那么，实际通入两个线圈的电流分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=X_a{I}_x+Y_a{I}_y\\ I_2=X_a{I}_x-Y_a{I}_y\end{array}\right.$

在实际控制过程中，通过传感器分别测得悬浮体的横向位移X和竖向位移Y，导向控制器对横向和竖向位移进行极性辨识，确定Xa、Ya的取值，电流解耦分量矩阵 $\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ {-I}_y\end{array}\right]$ 的I_x和I_y值则由悬浮导向系统的“位移—电流”映射关系曲线来确定，这样，当位移传感器获得通过查表法得到；这样就完成了电流解耦策略。可以看出，电流解耦也等同于电磁力解耦。然后，控制器向两个励磁绕组分别加载合理的控制电流I₁和I₂，控制悬浮体回复横向平衡位置，并抑制竖向振荡。

步骤6：将I1和I2作为电流给定值，通过电流控制器控制逆变器中的功率管，实现两个控制绕组中的电流控制，进而实现动子导向组件的导向控制。

Claims (1)

1.一种混合励磁导向系统的导向控制方法，其特征在于：其中所述混合励磁导向系统主要由永磁及电励磁控制绕组构成的动子导向组件和定子方形轨道构成，永磁产生固有偏置磁场，两个独立的永磁及电励磁控制绕组产生调节磁场，永磁场和电流调节磁场共同与定子方形轨道作用产生导向控制力；两个控制绕组同时通入同向同值电流产生X向电磁力，同时通入异向同值电流产生Y向电磁力，两个控制绕组的电流大小和方向的不同组合，实现动子导向组件的X向和Y向位移控制；该混合励磁导向系统的导向控制方法的实现步骤如下：

步骤1：基于有限元分析计算得到动子导向组件X向位移对应的X向电磁力与X向控制电流Ix之间的“X向位移—Ix电流”映射关系，以及Y向位移对应的Y向电磁力与Y向控制电流Iy之间的“Y向位移—Iy电流”映射关系；

步骤2：通过位移传感器获得动子导向组件的X向位移和Y向位移；

步骤3：根据X向位移和Y向位移的大小，将X向位移和Y向位移的控制电流解耦，由“X向位移—Ix电流”映射关系得到动子导向组件X向位移时在两个控制绕组中通入电流矩阵为 $\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right],$ 以及由“Y向位移—Iy电流”映射关系得到动子导向组件Y向位移时在两个控制绕组中通入电流矩阵为 $\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ -I_y\end{array}\right],$ 其中，Ix和Iy均为电流绝对值；

步骤4：根据X向位移和Y向位移的方向性，确定X向控制电流Ix的极性系数Xa，以及Y向控制电流Iy的极性系数Ya，Xa和Ya的取值集合为{1，-1}；

步骤5：将X向位移控制电流叠加到Y向位移控制电流，最终获得两个控制绕组中实际应通入的合成电流矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]=X_a\left[\begin{array}{c}{I}_x\\ I_x\end{array}\right]+Y_a\left[\begin{array}{c}{I}_y\\ -I_y\end{array}\right],$ 展开得到：

步骤6：将I1和I2作为电流给定值，通过电流控制器控制逆变器中的功率管，实现两个控制绕组中的电流控制，进而实现动子导向组件的导向控制。