一种电磁悬浮列车悬浮控制方法与流程

本发明属于电磁悬浮列车悬浮控制器技术领域，特别涉及无气隙传感器悬浮控制方法。

背景技术：

随着我国城镇化战略的推进，城市交通、能源危机以及环境污染等问题亟待解决。中低速磁浮交通具有爬坡能力强、转弯半径小、振动噪音小、安全舒适、建造维修成本低等优势，在城市轨道的交通中将发挥重要作用。经过几十年的技术开发，磁浮列车技术已基本成熟，开始逐步商业应用。

电磁悬浮列车的悬浮控制器目的是控制列车稳定悬浮在轨道上方8-10mm处，是磁浮列车的核心部件。现有磁浮列车悬浮控制器以控制气隙恒定为目标。为实现恒气隙控制，通常采用气隙给定，同时通过气隙传感器实时检测悬浮气隙作为反馈，两者之差送入气隙调节器进行调节，气隙调节器输出，作为电流环的给定，调节悬浮电流的大小，调节悬浮力，实现悬浮气隙恒定。在此，需要说明的是，为了保证悬浮的稳定性和动态性能，通常采用了加速度调节器和速度调节器，其输出与气隙调节器的输出相加一起作为电流环的给定。

采用气隙传感器有两个问题：其一、悬浮控制系统造价高。悬浮稳定性完全依赖于气隙传感器的性能，为了减小传感器故障对悬浮控制的影响，通常要采用两个气隙传感器的冗余设计方案，同时为了保证列车通过轨道接缝处时气隙信号平稳，实际中采用了三个气隙传感器信号取大的方式。其二、气隙传感器故障影响列车运行。整车中悬浮控制器数目很多，如中低速磁浮列车通常一节车有20个，三节编组共有60个控制器，只要一个控制器的气隙传感器中有两个异常，整列车就要限速度运行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电磁悬磁浮列车悬浮控制方法，它能有效保证列车悬浮在一定的气隙范围内，同时取消气隙传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电磁悬浮列车悬浮控制方法，通过控制电磁悬浮列车电磁铁的电感量恒定实现悬浮气隙近似恒定；用电磁铁电感量倒数取代常用的气隙给定作为悬浮控制器的给定，电磁铁的电感量可以由施加到电感上的电压和电流估算得到；用电感量倒数作为悬浮控制器的等效气隙给定，将电感量不变作为控制目标；电磁铁线圈的磁场能量主要存储在气隙中，电磁铁电感量L表示为：

式中μ₀为真空磁导率，A为电磁铁有效磁通面积，c为悬浮气隙，N为线圈匝数；

可知电磁铁线圈的电感量与电磁铁的位置即悬浮气隙有关，

当A不变时，电磁铁线圈电感量倒数与气隙c成正比，可以代表气隙大小，故用电磁铁电感量倒数取代常用的气隙给定作为悬浮控制器的给定，控制电感量的恒定可以实现电磁悬浮列车近似恒气隙悬浮。

所述电磁铁线圈的电感量通过采集电磁铁线圈上的电压和电流估算获得；

由悬浮控制系统电学方程得：

式中，u为电磁铁线圈端电压，i为通过电磁铁线圈的电流，R为电磁铁线圈等效内阻，d为微分运算；由系统本身特性知，机械时间长度远大于电气时间长度，当气隙微小变化时，电气量变化明显但机械量几乎恒定，所以可得：

利用电压和电流传感器多次采集电磁铁线圈的电压和电流信号，求取电流微分再除以电压与线圈电阻上的压降差即可估算出电感量倒数。

在电磁悬浮列车过弯道或过轨道连接缝隙等工况下，电磁铁悬浮有效磁通面积A减小时，由于恒电感控制，悬浮气隙会与有效磁通面积A成比例减小，悬浮电流与正常轨道处运行电流相同，减小了悬浮斩波器的载荷。

所述电感量估算模块由数字控制实现；悬浮斩波器为H型，采用PWM调制，在一个开关周期内多次采集电压和电流信号，离散成数字信号，实时估算出电感量，电流的微分可采用最小二乘法计算。

电感量估算模块的输出作为反馈信号与给定的电感量倒数比较得偏差信号输入控制器调节，为使系统具有足够的正阻尼，控制器需加入微分项，再加入比例环节用于产生电磁力抵消原位移负刚度导致的负恢复力，故可设计成PD控制等。

所述电感量估算模块，悬浮控制器模块的运算均在FPGA或其它高速CPU中实现。

所述恒电感量控制方法，在电磁悬浮列车过弯道或过轨道连缝隙等工况下，悬浮电磁铁悬浮有效磁通面积A减小时，由于恒电感控制，悬浮气隙会与有效磁通面积A成比例减小，悬浮电流不变，减小了悬浮斩波器的载荷。

与现有技术相比的优点和效果：

本发明取消了气隙传感器，通过控制电感量恒定的方法能够实现对悬浮气隙近似恒定的控制，无需气隙传感器即能实现悬浮气隙稳定在一定范围，降低控制系统的复杂程度和成本，同时大大提高了系统可靠性，且在过弯道及轨道连缝时稳定悬浮电流与正常处运行电流相同，减小了悬浮斩波器的载荷。

附图说明

图1是本发明的控制框图；

图2是电磁铁线圈模型；

图3是H型斩波器的主电路原理图；

图4是恒电感量控制的悬浮控制的一个例子；

图5是电磁铁线圈上周期性的电流电压波形图；

图6是电磁铁线圈电流的采样原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对发明进一步描述。

用电磁铁电感量倒数取代常用的气隙给定作为悬浮控制器1的给定，反馈来自电感量估算模块5输出，悬浮控制器1以控制电感量恒定为目的，调节以消除偏差；电压和电流传感器4在一个开关周期内多次采集电磁铁线圈3的电压和电流信号，用电流斜率除以电压与线圈上电阻压降差实时估算出电感量倒数；悬浮控制器1控制输出占空比可调的PWM信号，驱动悬浮斩波器2的功率器件，实现对电磁铁电感量的闭环控制，控制电磁力实现列车气隙稳定悬浮。

如图2为电磁铁线圈模型，μ₀为真空磁导率，A为电磁铁有效磁通面积，c为悬浮气隙，N为线圈匝数，由于铁芯磁导率很大，所以磁场能量主要存储在气隙中，磁感应强度为：

则磁链Ψ(t)表示为：

式中i(t)为通过电磁铁线圈3的电流，u(t)为电磁铁端电压，R为电磁铁等效内阻；

又有磁链为Ψ(t)＝L(c,i)·i(t)，

所以得电感量表达式为：

所以电感量倒数正比于气隙c(t)，可以代表气隙的大小。

由于电磁悬浮列车采用H型斩波器2，并采用PWM调制方式，且开关频率很高一般在10kHz以上，故通过电磁铁线圈3的电流波形可认作是位置信号调制的载波信号，因此可以通过在一个开关周期内多次采集电压和电流信号，实时估算出电磁铁线圈3的电感量。图2中，电磁铁线圈3端电压：

由于机械时间长度远大于电气时间长度，气隙微小变化时，电气量变化明显但机械量近似恒定，所以上式可简化为：

从而得电磁铁线圈3的电感量倒数为：

因此，电流斜率除以电压与线圈电阻上的压降差即可估算出电感量倒数；

其中电流斜率的计算方法很多，现介绍采用最小二乘法，采样原理图如附图6，H型斩波器2原理如附图3和4，斩波器输入电压幅值为V_s，输出电压即电磁铁端电压u，采用PWM型调制，当功率开关管(MOSFET或IGBT)导通时u为正电压+V_s，开关管关断时，二极管续流u为负电压-V_s；电流采样避开开关管切换时刻，可在开关管导通后(即电流下降到最小值后)5μs开始第一个电流值采样，紧接着每隔2μs采集一个电流值，每个周期内采集5个电流值，将电流和采样时刻记录为(t_n,k,i_n,k)，则由最小二乘法求斜率，可得当前电流斜率：

再结合当前采集的电压值，电流值，即可估算出电感量倒数值。

采用恒电感量控制的悬浮控制例子如附图4所示，利用电压和电流传感器4.6采集电磁铁线圈4.5的电压和电流信号，经A/D转换4.7成数字信号送入电感量估算模块4.8，其输出电感量倒数作为电感倒数控制器4.1的给定，与预置的电感量倒数给定信号比较得偏差，经电感倒数外环控制器4.1调节，调节器输出作为电流内环控制器4.2的给定，电流内环调节实现电流迅速跟随，经PWM生成模块4.3输出占空比可调的PWM信号，再驱动斩波器4.4的功率器件控制电磁铁4.5的电流，调节电磁浮铁的悬浮力，实现电感量不变；电感量估算模块4.8、恒电感控制器4.1及电流控制器4.2均在FPGA或其它高速CPU中实现。

其中恒电感控制类似恒气隙控制，为使系统具有足够的正阻尼，控制器需加入微分项，再加入比例环节用于产生电磁力抵消原位移负刚度导致的负恢复力，为了保证悬浮的稳定性和动态性能，通常引入加速度和速度作状态反馈控制，输出作为电流环的给定：

式中，L为估算电感量，L₀为给定电感量，a为加速度，v为速度，k_p、k_v、k_a分别为电感倒数调节器、速度调节器以及加速度调节器的系数。

考虑电磁铁线圈电感很大，电阻很小，导致惯性环节时间常数很大，电流滞后电压一个相位，于是加入电流反馈控制即电流内环控制器，可采用PID控制，在FPGA或其他高速CPU中实现，将模拟PID控制器离散化，数字控制得：

实现对电流指令信号的迅速跟踪。式中e(k)表法第k次给定与反馈的误差。

上述实施例仅表达了本发明实施方式之一，较为详细，但不应限制保护范围，在本发明构思的前提下，具体细节可变形改进。