[發(fā)明專利]一種電磁懸浮列車懸浮控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710039449.2
• 申請(qǐng)日: 2017-01-19
• 公開（公告）號(hào): CN106828185A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭育華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B60L13/06
• 分類號(hào): B60L13/06
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙)51232
• 代理人: 葛啟函

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電磁懸浮列車懸浮控制器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及無氣隙傳感器懸浮控制方法。

背景技術(shù)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的推進(jìn)，城市交通、能源危機(jī)以及環(huán)境污染等問題亟待解決。中低速磁浮交通具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、振動(dòng)噪音小、安全舒適、建造維修成本低等優(yōu)勢(shì)，在城市軌道的交通中將發(fā)揮重要作用。經(jīng)過幾十年的技術(shù)開發(fā)，磁浮列車技術(shù)已基本成熟，開始逐步商業(yè)應(yīng)用。

電磁懸浮列車的懸浮控制器目的是控制列車穩(wěn)定懸浮在軌道上方8-10mm處，是磁浮列車的核心部件?，F(xiàn)有磁浮列車懸浮控制器以控制氣隙恒定為目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)恒氣隙控制，通常采用氣隙給定，同時(shí)通過氣隙傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)懸浮氣隙作為反饋，兩者之差送入氣隙調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣隙調(diào)節(jié)器輸出，作為電流環(huán)的給定，調(diào)節(jié)懸浮電流的大小，調(diào)節(jié)懸浮力，實(shí)現(xiàn)懸浮氣隙恒定。在此，需要說明的是，為了保證懸浮的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，通常采用了加速度調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器，其輸出與氣隙調(diào)節(jié)器的輸出相加一起作為電流環(huán)的給定。

采用氣隙傳感器有兩個(gè)問題：其一、懸浮控制系統(tǒng)造價(jià)高。懸浮穩(wěn)定性完全依賴于氣隙傳感器的性能，為了減小傳感器故障對(duì)懸浮控制的影響，通常要采用兩個(gè)氣隙傳感器的冗余設(shè)計(jì)方案，同時(shí)為了保證列車通過軌道接縫處時(shí)氣隙信號(hào)平穩(wěn)，實(shí)際中采用了三個(gè)氣隙傳感器信號(hào)取大的方式。其二、氣隙傳感器故障影響列車運(yùn)行。整車中懸浮控制器數(shù)目很多，如中低速磁浮列車通常一節(jié)車有20個(gè)，三節(jié)編組共有60個(gè)控制器，只要一個(gè)控制器的氣隙傳感器中有兩個(gè)異常，整列車就要限速度運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種電磁懸磁浮列車懸浮控制方法，它能有效保證列車懸浮在一定的氣隙范圍內(nèi)，同時(shí)取消氣隙傳感器。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種電磁懸浮列車懸浮控制方法，通過控制電磁懸浮列車電磁鐵的電感量恒定實(shí)現(xiàn)懸浮氣隙近似恒定；用電磁鐵電感量倒數(shù)取代常用的氣隙給定作為懸浮控制器的給定，電磁鐵的電感量可以由施加到電感上的電壓和電流估算得到；用電感量倒數(shù)作為懸浮控制器的等效氣隙給定，將電感量不變作為控制目標(biāo)；電磁鐵線圈的磁場(chǎng)能量主要存儲(chǔ)在氣隙中，電磁鐵電感量L表示為：

式中μ₀為真空磁導(dǎo)率，A為電磁鐵有效磁通面積，c為懸浮氣隙，N為線圈匝數(shù)；

可知電磁鐵線圈的電感量與電磁鐵的位置即懸浮氣隙有關(guān)，

當(dāng)A不變時(shí)，電磁鐵線圈電感量倒數(shù)與氣隙c成正比，可以代表氣隙大小，故用電磁鐵電感量倒數(shù)取代常用的氣隙給定作為懸浮控制器的給定，控制電感量的恒定可以實(shí)現(xiàn)電磁懸浮列車近似恒氣隙懸浮。

所述電磁鐵線圈的電感量通過采集電磁鐵線圈上的電壓和電流估算獲得；

由懸浮控制系統(tǒng)電學(xué)方程得：

式中，u為電磁鐵線圈端電壓，i為通過電磁鐵線圈的電流，R為電磁鐵線圈等效內(nèi)阻，d為微分運(yùn)算；由系統(tǒng)本身特性知，機(jī)械時(shí)間長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間長(zhǎng)度，當(dāng)氣隙微小變化時(shí)，電氣量變化明顯但機(jī)械量幾乎恒定，所以可得：

利用電壓和電流傳感器多次采集電磁鐵線圈的電壓和電流信號(hào)，求取電流微分再除以電壓與線圈電阻上的壓降差即可估算出電感量倒數(shù)。

在電磁懸浮列車過彎道或過軌道連接縫隙等工況下，電磁鐵懸浮有效磁通面積A減小時(shí)，由于恒電感控制，懸浮氣隙會(huì)與有效磁通面積A成比例減小，懸浮電流與正常軌道處運(yùn)行電流相同，減小了懸浮斬波器的載荷。

所述電感量估算模塊由數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)；懸浮斬波器為H型，采用PWM調(diào)制，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)多次采集電壓和電流信號(hào)，離散成數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)估算出電感量，電流的微分可采用最小二乘法計(jì)算。

電感量估算模塊的輸出作為反饋信號(hào)與給定的電感量倒數(shù)比較得偏差信號(hào)輸入控制器調(diào)節(jié)，為使系統(tǒng)具有足夠的正阻尼，控制器需加入微分項(xiàng)，再加入比例環(huán)節(jié)用于產(chǎn)生電磁力抵消原位移負(fù)剛度導(dǎo)致的負(fù)恢復(fù)力，故可設(shè)計(jì)成PD控制等。

所述電感量估算模塊，懸浮控制器模塊的運(yùn)算均在FPGA或其它高速CPU中實(shí)現(xiàn)。

所述恒電感量控制方法，在電磁懸浮列車過彎道或過軌道連縫隙等工況下，懸浮電磁鐵懸浮有效磁通面積A減小時(shí)，由于恒電感控制，懸浮氣隙會(huì)與有效磁通面積A成比例減小，懸浮電流不變，減小了懸浮斬波器的載荷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)和效果：