一种磁浮列车测速定位装置的制作方法

1.本实用新型涉及磁浮列车的技术领域，特别是涉及一种磁浮列车测速定位装置。


背景技术：

2.在列车安全和自动控制系统中，依靠测速定位系统及时获取准确的列车位置和速度信息，是列车安全、可靠运行的基础。
3.现有技术中的高速磁浮列车牵引电机的长定子安装在轨道梁上，采用安装在列车上的相对位置传感器nut对长定子齿槽进行计数，并通过在线路上按一定距离装设标识板，安装在列车上的绝对位置传感器ink读取标识板信息，从而获得列车速度和位置信息。上述测速定位系统与方法需要通过无线通信方式将列车速度和位置信息快速发送给地面控制系统，如上海磁浮示范线采用的是载波频率为38ghz无线电车地通信，而在轨道沿线建设数量足够的高速无线电基站，造价十分昂贵。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种磁浮列车测速定位装置，以解决 现有的磁浮列车测速需要通过无线通信方式将列车速度和位置信息快速发送给地面控制系统，在轨道沿线建设数量足够的高速无线电基站造价昂贵的问题。
5.为了解决上述问题，本实用新型提供一种磁浮列车测速定位装置，其特征在于，包括信号处理单元、固定在磁浮列车上的齿槽板以及安装在地面轨道的测速定位传感器，所述齿槽板包括沿其长度方向均匀交替布置的齿部和槽部，所述齿槽板的齿部和槽部的宽度相同且与磁浮列车的长定子的齿槽宽度相同，相邻的一个所述齿部和一个所述槽部共同组成一个齿槽周期；
6.所述齿槽板跟随磁浮列车移动进入测速定位传感器的感应区，所述测速定位传感器分别输出两路相差为90
°
且周期与磁浮列车的长定子的齿槽结构相匹配的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号，所述信号处理单元根据接收的所述方波信号、所述细分脉冲信号以及所述位置编码信号判断列车的运行方向、速度和位置。
7.进一步地，所述齿槽板水平布置。
8.进一步地，所述齿槽板沿所述磁浮列车的行进方向布置，且所述齿槽板的长度与所述磁浮列车的长度相等。
9.进一步地，所述齿槽板为金属材料制成。
10.进一步地，所述齿槽板为复合材料制成，且所述齿部为金属，所述槽部为非金属。
11.进一步地，每一磁浮列车长度区间至少布置一个所述测速定位传感器，且所述测速定位传感器沿地面轨道等距布置，所述测速定位传感器的探头面朝上正对着齿槽板。
12.进一步地，所述测速定位传感器的感应面上布置有尺寸相同的四个线圈，分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈；
13.当所述第一线圈正对着所述齿槽板的第一个齿部时，所述第二线圈正对着所述齿
槽板相邻的第一个槽部，所述第三线圈正对着第一个齿部与第一个槽部的交界处，所述第四线圈正对着第一个槽部与第二个齿部的交界处。
14.进一步地，所述测速定位传感器还包括检测电路、电源电路以及输入输出电路，电源电路将输入的直流电源转换成所需的各种电压电源供给其它电路；检测电路包含模拟电路和数字电路，激励并检测线圈输出；输入输出电路包含通信接口和输出接口，通信接口模块用于对传感器进行测试和标定，输出信号通过输出接口模块转换成光信号使用光纤输出。
15.本实用新型提供一种磁浮列车测速定位装置，其结构简单，安装方便，具体地，通过将齿槽板固定在磁浮列车上，测速定位传感器安装在地面上，齿槽板的齿部和槽部的宽度与磁浮列车的长定子的齿槽宽度相同，相邻的一个齿和一个槽共同组成一个齿槽周期，磁浮列车的长定子作为列车的牵引系统，如此，测速定位传感器和牵引控制系统都安装在地面上，无需依靠车载无线电传输单元给地面控制系统传输测速定位信号，采用光纤直接传输，降低了建设和使用维护成本，同时，当齿槽板跟随磁浮列车移动进入测速定位传感器的感应区时，测速定位传感器分别输出两路相差为90
°
且周期与磁浮列车的长定子的齿槽结构相匹配的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号，信号处理单元根据接收的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号判断列车的运行方向、速度和位置，其测速精度高且定位精准。
附图说明
16.图1是本实用新型实施例中的磁浮列车测速定位装置的结构示意图；
17.图2是本实用新型实施例中的外形结构示意图；
18.图3是本实用新型实施例中的测速定位传感器线圈布置图；
19.图4是本实用新型实施例中的测速定位传感器电路原理框图；
20.图5是本实用新型实施例中的检测波形转换示意图。
21.图中，1、信号处理单元；2、齿槽板；3、测速定位传感器；4、长定子；5、支架；6、列车；21、齿部；22、槽部；31、第一线圈；32、第二线圈；33、第三线圈；34、第四线圈。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、
ꢀ“
左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.结合图1~5所示，示意性地显示了本实用新型实施例的一种磁浮列车测速定位装置，包括信号处理单元1、固定在磁浮列车6上的齿槽板2以及安装在地面轨道的测速定位传感器3，齿槽板2包括沿其长度方向均匀交替布置的齿部21和槽部22，齿槽板2的齿部21和槽部22的宽度相同且与磁浮列车6的长定子4的齿槽宽度相同，相邻的一个齿部21和一个槽部22共同组成一个齿槽周期；齿槽板2跟随磁浮列车6移动进入测速定位传感器3的感应区，测
速定位传感器3分别输出两路相差为90
°
且周期与磁浮列车6的长定子4的齿槽结构相匹配的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号，信号处理单元1根据接收的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号判断列车6的运行方向、速度和位置。
25.现有高速磁浮测速定位系统由相对位置传感器和绝对位置传感器组成，系统复杂。由于牵引控制系统在地面，测速定位传感器在行驶的列车上，需要通过无线通信方式将列车速度和位置信息快速发送给地面控制系统。本实施例提供的磁浮列车测速定位装置其结构简单，安装方便，具体地，通过将齿槽板2固定在磁浮列车6上，测速定位传感器3安装在地面上，齿槽板2的齿部21和槽部22的宽度与磁浮列车6的长定子4的齿槽宽度相同，相邻的一个齿部21和一个槽部22共同组成一个齿槽周期，如此，测速定位传感器3和牵引控制系统都安装在地面上，无需依靠车载无线电传输单元给地面控制系统传输测速定位信号，采用光纤直接传输，降低了建设和使用维护成本，同时，当齿槽板2跟随磁浮列车6移动进入测速定位传感器3的感应区时，测速定位传感器3分别输出两路相差为90
°
且周期与磁浮列车6的长定子4的齿槽结构相匹配的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号，信号处理单元1根据接收的方波信号、细分脉冲信号以及位置编码信号判断列车6的运行方向、速度和位置，其测速精度高且定位精准。
26.本实施例中齿槽板2水平布置，如此，使得齿槽板2随着列车6移动而进入测速定位传感器3的感应区内，提高测量精度，具体而言，齿槽板2沿磁浮列车6的行进方向布置，且齿槽板2的长度与磁浮列车6的长度相等，如此可同步实现高速磁浮列车6相对位置传感器和绝对位置传感器的功能。
27.为了保证齿槽板2与测速定位传感器3接近时配合产生周期性的交变信号，作为其中一个实施例，齿槽板2为金属材料制成，齿部21保留全部金属，槽部22切割去除部分金属。优选地，作为另一个实施例，齿槽板2为复合材料制成，且齿部21为金属，槽部22为非金属，如此可保证齿部21和槽部22在测速定位传感器3的感应区间交替变化时基于涡流效应感应线圈输出近似于正弦电压波形的目的，且成本较低。
28.为了保证信号产生以及传输的稳定性，每一磁浮列车6长度区间至少布置一个测速定位传感器3，且测速定位传感器3沿地面轨道等距布置，且测速定位传感器3的探头面朝上正对着齿槽板2，如图2所示，齿槽板2和磁浮列车6的长定子4感应面均朝下，测速定位传感器3通过支架5固定在地面轨道梁上。当磁浮列车6悬浮间隙变小时，测速定位传感器3探头面与齿槽板2感应面的距离变大，额定悬浮间隙下测速定位传感器3探头面与齿槽板2感应面的距离等于悬浮间隙。
29.如图3所示，测速定位传感器3的感应面上布置有尺寸相同的四个线圈，分别为第一线圈31、第二线圈32、第三线圈33和第四线圈34，四个线圈与齿槽板2的齿部21和槽部22有严格的位置关系；
30.当第一线圈31正对着齿槽板2的第一个齿部21时，第二线圈32正对着齿槽板2相邻的第一个槽部22，第三线圈33正对着第一个齿部21与第一个槽部22的交界处，第四线圈34正对着第一个槽部22与第二个齿部21的交界处，如此，当测速定位传感器3安装后，其第一线圈31还正对着长定子4的齿，确保能测得准确的磁极相角。
31.具体地，由于齿槽板2相对测速定位传感器 3产生相对运动，测速定位传感器3的线圈将感应到齿部21和槽部22变化而检波输出近似于正弦电压信号，线圈几何中心越靠近
齿部21中心，电压值越小，线圈几何中心越靠近槽部22中心，电压值越大，且由于各线圈与齿部21和槽部22具有严格的位置关系，第二线圈32与第一线圈31检波输出的电压波形相位相反，第三线圈33与第四线圈34检波输出的电压波形相位相反，第一线圈31与第二线圈32检波输出接入l差分放大，第三线圈33与第四线圈34检波输出接入r差分放大，差分放大消除了线圈与齿槽板2平面距离的影响，输出仅与齿部21和槽部22变化规律相关的正弦电压波形，l差分放大输出与r差分放大输出相位相差90度，分别再经过过零比较器将正弦电压波形转换成方波电压信号，两路方波电压信号输入到主控器，最终编码到传感器输出信号之中。信号处理单元1接收解码后根据两路方波信号的超前与滞后关系判断列车6的运行方向。信号处理单元1在一定时间内对方波进行计数，因一个方波周期的宽度代表了一个齿槽宽度，便可计算列车6的运行速度。每一个测速定位传感器3有一个唯一码，编码到传感器输出信号中作为位置编码，该位置编码代表了测速定位传感器3的实际安装位置，信号处理单元1从接收到第一个新的位置编码后不断加上方波周期的个数乘以齿槽宽度便可计算得到列车6的位置。差分放大输出的正弦电压波形同时接入到多路采样，传感器制造时在标准工况下一个方波周期内对该正弦电压波形平均分成n段，产生从0到n
‑
1共n个点，将这些点的电压值作为阈值存入存储器，测量工作时主控器将多路采样值与存储器中的阈值相比较，按照阈值顺序位置输出低电平或高电平，通过这一数字细分方法，能得到n/2分频的细分脉冲信号，该信号也被编码到输出信号中。信号处理单元1若采用该细分脉冲信号进行位置计算，定位精度更高。
32.进一步参照如图4所示，测速定位传感器3采用涡流效应原理，测速定位传感器3还包括检测电路、电源电路以及输入输出电路。
33.其中，电源电路将输入的直流电源转换成所需的各种电压电源供给其它电路。
34.检测电路包含模拟电路和数字电路，激励并检测线圈输出，模拟电路部分由线圈激励、同步检波、差分放大、过零比较等模块组成，数字电路部分由主控器、多路采样、存储器等模块组成。主控器产生特定频率信号给四个线圈激励模块和四个同步检波模块。四个线圈激励模块分别连接并驱动四个线圈，四个线圈输出分别连接四个同步检波模块。第一线圈31、第二线圈32同步检波输出给l差分放大，第三线圈33、第四线圈34同步输出给r差分放大。两路差分放大输出分别连接到l过零比较和r过零比较模块，两个过零比较模块输出两路相差90
°
方波信号给到主控器。两路差分放大输出还连接到多路采样模块，多路采样模块对其进行同步采样，采样值输出给主控器。主控器与存储器相连，存储器保存传感器编码信息和标定校准数据。
35.输入输出电路包含通信接口和输出接口，通信接口模块用于对传感器进行测试和标定，输出信号通过输出接口模块转换成光信号使用光纤输出。
36.本实施例中的测速定位传感器3采用分区间数字细分方法，测速定位传感器的测量方法包括：
37.通过通信控制传感器工作在标定模式或测量模式，传感器上电默认工作在测量模式。
38.在标定模式下：
39.s1：测速定位传感器3对l过零比较和r过零比较模块输出进行异或运算，得到二分频齿槽周期信号，以此信号划分4个区间；
40.s2：测速定位传感器3对l差分输出和r差分输出进行采集，在全部区间建立其输出值与线圈和齿槽板2齿槽相互位置关系的函数，将这一函数关系用表格形式存入存储器；
41.在测量模式下：
42.s3：随着齿槽板2相对测速定位传感器3在行车方向移动，测速定位传感器3取得l过零比较和r过零比较模块输出作为列车6行驶方向的方波信号；
43.s4：测速定位传感器3对l过零比较和r过零比较模块输出进行异或运算，得到二分频齿槽周期信号。
44.s5：进一步地，测速定位传感器3实时采样l差分输出和r差分输出，根据采样值查表计算输出细分脉冲。
45.s6：测速定位传感器3将方波信号、细分脉冲信号连同自身位置编码按固定波特率不断从输出接口发送出去。
46.所述信号处理单元1通过光缆接收测速定位传感器3输出信号，根据接收的信号判断列车6的行进方向、速度和位置，并将这些信息实时发送给地面的列车6控制系统。
47.信号处理单元1的对传感器输出信号处理以实现测速定位的方法主要包括：
48.s1：根据两路方波信号的相位超前或滞后关系判断列车6行进方向；
49.s2：对两路方波信号异或运算后按正负脉冲计数，时间t内计得脉冲数为n，一个齿槽周期长度为l，则速度v=n*l/4t；
50.s3：信号处理单元1从读到某一测速定位传感器3的第一个方波信号开始，便对方波信号进行累积计数，位置编码信号提供了参考位置，方波信号累积计数值与齿槽周期长度乘法运算获得相对位置，参考位置与相对位置相加得到列车6的绝对位置，信号处理单元1每检测到一个新的测速定位传感器3输出有效信号，按新的位置编码和新的累积计数值重新开始计算列车6的绝对位置；
51.s4：信号处理单元1结合方波信号对细分脉冲计数，换算得出悬浮磁铁相对长定子4直线同步电机定子磁场的相对位置——磁极相角prw。
52.s5：信号处理单元1将以上处理后的信息实时发送给地面的列车6控制系统。
53.应当理解的是，本实用新型中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
54.以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。