摘 要

本文的主要研究目的是为了对磁悬浮球类零件进行设计与分析，通过学习机械工程、电子控制技术以及磁悬浮相关技术进行磁悬浮球类零件的设计。由于此前国内外对于磁悬浮球系统的研究主要是处于单自由度层面，所以本文的主要设计思路和创新点是将单自由度的磁悬浮控制系统结构结合应用到三自由度层面。即对磁悬浮球进行X、Y、Z三个自由度的悬浮控制。在对不同的结构方案、控制方案以及传感技术方案进行了对比分析后，采用了常规差动驱动控制作为磁悬浮球系统的控制方法，以LARDC控制作为系统控制技术，从多种传感器之中选取了激光位移传感器来测量磁悬浮球的位移变化，最后设计出本次的产品，对磁悬浮球类系统的研究起到了一定作用，同时也促进了磁悬浮控制技术在生活中的应用。

关键词：磁悬浮球；PID控制；LARDC控制；常规差动驱动控制

Abstract

The main purpose of this paper is to design and analyze the magnetic levitation ball parts by studying mechanical engineering, electronic control technology and magnetic levitation related technology. Because the previous research on magnetic levitation ball system at home and abroad was mainly at the level of single degree of freedom, so the main design idea and innovation point of this paper is to apply the single-degree-of-freedom magnetic levitation control system structure to the three-degree-of-freedom level. That is, the magnetic levitation ball is controlled by X、Y and Z degrees of freedom. After comparing and analyzing the different structure scheme, control scheme and sensing scheme, the conventional differential drive control is adopted as the control method of the magnetic levitation ball system, and the LARDC control is used as the system control technology, the laser displacement sensor is selected from many kinds of sensors to measure the displacement change of the magnetic levitation ball. Finally, the product is designed, which plays a certain role in the research of the magnetic levitation ball system, it also promotes the application of magnetic levitation control technology in daily life.

Key Words：magnetic suspension ball；PID control；LARDC control；conventional differential control

目录

第1章 绪论 1

1.1磁悬浮球相关技术国内外研究现状 1

1.1.1磁悬浮球相关技术国外研究现状 1

1.1.2磁悬浮球相关技术国内研究现状 2

1.2控制传感方式概述  2

1.3 论文设计内容及要求 3

第2章 磁悬浮球系统总体设计 5

2.1磁悬浮球系统组成框图。 5

2.2磁悬浮球系统总体结构论述 5

2.3主动磁悬浮装置电磁力的计算 6

2.4支撑板厚度以及固定螺钉的初步选取 8

2.5磁悬浮球系统总装配体结构论述 8

2.6控制系统方案的选择 9

2.7功率放大器方案选择 10

2.8传感器方案选择 10

第3章 磁悬浮球系统部件结构设计 12

3.1整体框架结构设计 12

3.2各支撑板的装配设计 13

3.3电磁铁线圈部件与支撑板的装配 15

3.4传感器整体部件与支撑板的装配 15

3.5传感器、电磁铁走线分布设计以及外形设计 17

3.6主要部件装配设计 19

3.7主要零件规格尺寸设计 21

第4章 磁悬浮球类系统法的仿真与分析 25

4.1L型短支撑板的有限元仿真 25

4.2L型长支撑板的有限元仿真 27

4.3长方形顶支撑板的有限元仿真。 29

4.4电磁铁线圈磁场仿真  30

4.5仿真结果小结 33

第5章 总结与展望 34

5.1总结 34

5.2展望 34

致谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

步入21世纪，磁悬浮技术在国内外相关领域得到了飞速的发展，我国也在磁悬浮技术领域方面取得了诸多重大的成果。对磁悬浮技术的研究有利于促进科技的发展。此前在国内外主要是对球类零件进行单自由度控制，本次毕业设计主要是为了设计出能多自由度控制的磁悬浮球类系统。在技术层面进行叠加应用是本次毕业设计的创新点和核心所在。

1.1磁悬浮球相关技术国内外研究现状

随着科技的发展，磁悬浮技术已经逐渐被广泛应用于生活中。比如高速磁悬浮列车，精密仪器除振台、人工心脏泵、磁悬浮轴承等等^[1]。部分可见图1.1中相关磁悬浮技术应用。与传统的机械制造技术相比，磁悬浮技术属于典型的机电一体化系统新技术，更具优势。例如无需润滑、无机械接触、没有机械摩擦、噪音控制合理等诸多优点^[2]。

（a）磁悬浮列车 （b）磁悬浮轴承 （c）磁悬浮飞轮

图1.1 磁悬浮技术应用

1.1.1磁悬浮球相关技术国外研究现状

1842年，英国物理学家Earnshaw证明了铁磁体在六个自由度上的悬浮仅仅依靠永磁体是无法实现的^[3]。在这六个自由度中，最少有一个是被控制的，且控制力的大小需要随着铁磁体的悬浮状态进行调整。1938年德国工程师肯佩尔利用电磁铁将一个210kg的物体达到稳定悬浮状态，这是人类有史以来第1次真正地实现磁悬浮^[4]。1950年，美国弗吉尼亚大学将钢质小球悬浮起来的同时使其飞速旋转，这是首例磁悬浮技术的成功应用^[5]。在1970年以后，磁悬浮技术飞速进步，并且由于新型永磁材料的出现，磁悬浮技术逐渐广泛应用于更广的领域。1999年日本研制的MLX01型磁悬浮列车时速高达552公里^[6]，并通过了载人运行实验。磁悬浮技术同样能应用在医疗设备领域，目前磁悬浮人工心脏泵已经投入到了临床使用之中。例如德国Incor公司的Berlin Heart^[7]，2016年8月日本举行了第十五届磁悬浮国际会议^[6]。目前国外对于磁悬浮技术的研究非常深入且重视，磁悬浮技术有着十分良好的应用前景。但从磁悬浮球类零件的研究现状看，国外目前对于磁悬浮球类系统的研究主要是针对单自由度层面的，但出于本次毕业设计的设计要求，这里需要创新设计出能对钢球进行X、Y、Z三个自由度进行悬浮的系统。

1.1.2磁悬浮球相关技术国内研究现状