基于Magnet和Simulink聯合仿真的電磁懸浮系統控制方法
趙琦，郭偉斌，王建輝（上海交通大學，上海200240）
摘要：針對一種用四極電磁鐵構建的三自由度電磁懸浮系統，提出了一種采用Simulink和Magnet軟件聯合仿真的方法，該方法可以實現電磁懸浮系統控制策略準確的分析，并在此基礎上對電磁懸浮系統的控制提出了改進了的零功率和半零功率控制算法，提高了整個系統的動態性能。
關鍵詞：電磁懸浮系統；聯合仿真；Magnet；零功率控制
中圖分類號：TM35 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -7018 (2008) 09 -0042 -04
O引言
磁懸浮技術是依靠電磁吸力或斥力將物體懸浮在空中，實現物體相互之間無直接接觸，在它們的相對運動中達到無摩擦。磁懸浮技術是將電工電子技術、自動控制技術、傳感器技術、檢測技術、計算機技術等高新技術有機結合在一起的典型機電一體化技術，利用永磁或電磁力將物體無接觸地懸浮起來，輔以控制手段，以滿足工業生產向高精密、高速度方向發展的需要。文獻[1]提出了一種新型的電磁懸浮系統，它是一個由帶有永磁體的四極共軛電磁鐵構建的小型懸浮系統。文獻[3]針對該磁懸浮系統提出了基于簡化棋型的在豎直方向自由度上的恒氣隙的控制算法。
目前，各種電磁懸浮系統在設計和控制中存在控制策略難以準確驗證分析的問題。本文介紹一種新的仿真方法，即采用Magnet和Simulink的聯合仿真方法，對實物的模型不經簡化地進行零功率和半零功率控制的仿真。聯合仿真是指用兩個或者更多的專業軟件仿真復雜系統的瞬態問題，每個仿真器求解整個問題領域的物理方程，其輸入的數據是由其他仿真器提供的。所有的仿真器同時運行求解瞬態問題。仿真器之間數據的交換必須足夠頻繁，以滿足仿真的精度。
本文利用Magnet建立懸浮系統的模型，而后將其模型嵌入Simulink里面，加入控制的方法，與Sim-ulink作交互運算。通過Simulink的控制方法，給Magnet模型提供控制電壓，采用現代控制理論，提出了零功率控制策略以及半零功率控制，并經過仿真，得出了接近于實際模型的結果。
1系統模型的建立
1.1 Maanet軟件簡介
Magnet是市場上****具有2D/3D多自由度瞬態電磁場分析能力的軟件。比起常用的ANSYS軟件來說，Magnet的優點在于：仿真對象更加專一，集中在低頻電磁場的仿真計算上；它有真正的Win-dows界面，玎以方便快速地建立模型和進行分析，它提供與Simulink連接的插件，為聯合仿真的實現提供了基礎。
1 2電磁懸浮系統結構和Magnet模型
基本結構有共軛的四個極，每個極由永磁體和控制電流的線圈組成[3-4]。參照文獻[4]實際模型的尺寸和材料，用Magnet建模，如圖1所示。****不同的是上方并沒有采用鐵軌和直線電機，而是采用了大平板，簡化了模型設計。
1.3控制三自由度的線圈電流
該電磁結構可以控制三個自由度：豎直方向的氣隙z繞α軸轉動的日傾斜角度θ以及繞β軸轉動的φ角度。其中，三個繞組電流iz、iα、iβ分別控制豎直方向z傾斜角度θ和φ，如圖2所示。
i1、i2、i3、L4分別是四個線圈上的實際電流。它們和有效電流iz、iα、iβ的關系可以寫成下式：
由于三個自由度的物理方程具有同樣的形式[4]，所以將主要討論豎直方向自由度的控制。
2零功率控制與半零功率控制
2.1零功率控制器特點
零功率控制是在正常工作時電磁線圈中電流近似為零。當磁鐵負載在允許的范圍內變化時，通過適當調整懸浮氣隙，使得懸浮體的永磁產生的吸力與懸浮體的重力相等，從而實現懸浮體穩定懸浮，此時，保持線圈中電流在零附近小幅波動。
文獻[3]已經提出了恒氣隙的控制策略，并初步提出了懸浮系統的狀態 |
