Ems型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置，方法实施步骤如下：通过磁通感应线圈采集并获取悬浮间隙处的磁通密度，采集悬浮加速度和悬浮间隙；根据磁通密度、悬浮加速度、悬浮间隙计算悬浮系统控制率；根据悬浮系统控制率生成闭环控制PWM信号，将PWM信号分别输出至PWM驱动电路来调节悬浮电磁铁与轨道之间的悬浮力；装置包括依次相连的传感器组、数据采集板、悬浮控制器和PWM驱动电路。本发明具有悬浮控制稳定性好、灵敏度高、控制带宽低、能够提高悬浮控制系统的稳定性和鲁棒性、简单易行、抗干扰能力强、可扩展性好、实施灵活的优点。
【专利说明】EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁悬浮列车的悬浮控制【技术领域】，具体涉及EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]EMS(Electro Magnetic Suspension)型低速磁浮列车是一种新型的轨道交通工具，具有安全、舒适、高速、噪音小，无污染、转弯半径小等优点，其主要原理是依靠悬浮列车上的悬浮电磁铁与轨道之间的电磁吸力使列车悬浮在轨道上，然后通过直线电机牵引驱动。EMS型低速悬浮列车主要包括牵引系统、悬浮控制系统、二次系结构、车体等，其中牵引系统主要指的是牵引电机及感应铝板。其中，悬浮控制系统包括悬浮电磁铁、传感器组、悬浮控制器等，悬浮控制系统是磁悬浮列车最关键的核心技术。
[0003]CMS04型磁悬浮列车共有5个悬浮转向架，每个悬浮转向架有2个悬浮模块，每个悬浮模块有2个悬浮点，而同一个悬浮模块的2个悬浮点悬浮任务由一台悬浮控制器实现。悬浮控制器用于调节悬浮电磁铁中的悬浮电流，从而调节悬浮间隙大小，实现车辆的稳定悬浮。磁悬浮列车车体通过二次悬挂系统悬浮，且磁悬浮列车车体之间通过磁悬浮转向架相连，每辆EMS型低速悬浮列车有5个磁悬浮转向架，在每个转向架的4个角上设有空气弹簧悬挂系，空气弹簧悬挂系包括空气弹簧、横向弹性拉杆、高度调节阀、牵引拉杆组成。如图1所示，磁悬浮列车车体103的下部设有二次悬挂系统，二次悬挂系统包括空气弹簧104、托臂105和防侧滚梁106，磁悬浮列车车体103通过空气弹簧104支承在托臂105上，托臂105下方设有对称布置的两个悬浮电磁铁101 ;地面上则设有枕轨108，枕轨108的两侧设有呈F形的磁悬浮轨道107，CMS04型磁悬浮列车的传感单元109则内置托臂105内。二次悬挂系统的主要作用是为了连接车体和转向架，在两者之间传递各种载荷，并提供缓冲和减振作用，使车辆灵活地沿直线运行和通过曲线，满足车辆运行平稳性和舒适性的要求。
[0004]现有技术关于中低速磁浮列车的悬浮控制方法研究的比较多，基于不同的悬浮控制方法集成了不同的悬浮控制系统。悬浮性能的优劣主要取决于悬浮控制系统的性能。悬浮控制系统根据实时的悬浮传感器获得间隙、速度、加速度、电流等信号，经悬浮控制CPU计算得到PWM值，通过PWM来控制和调节悬浮电磁铁两端的电压，从而控制通过悬浮电磁铁的电流大小，进而保证悬浮电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定值，从而实现了磁浮列车的稳定悬浮。现有技术的悬浮控制方法均为基于电流反馈实现闭环控制，但是基于电流反馈悬浮控制存在刚度大、超调大的弱点，导致悬浮控制的静态特性和动态特性较差。
[0005]悬浮控制技术是磁悬浮列车研究的核心技术，如何提高悬浮控制系统的稳定性和鲁棒性是悬浮工程师一直追求的目标。由于磁通反馈控制具有控制参数稳定范围大，超调小等优点，因此基于磁通反馈的控制算法具有很好的前景。虽然磁通反馈具有比较广阔的前景，但是由于大磁场环境下磁通信号的获得是比较困难的，现有的霍尔传感器测量范围比较小，因此将其应用于悬浮控制系统的磁通传感器存在技术障碍。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的上述技术问题，本发明要解决的技术问题是提供一种悬浮控制稳定性好、灵敏度高、控制带宽低、能够提高悬浮控制系统的稳定性和鲁棒性、简单易行、抗干扰能力强、可扩展性好、实施灵活的EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法及装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0008]本发明提供一种EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法，其实施步骤如下:
[0009]1)预先在EMS型低速悬浮列车的悬浮电磁铁上的线包外侧绕设磁通感应线圈，且在所述HMS型低速悬浮列车行驶时检测所述磁通感应线圈的感应电动势,将所述感应电动势依次进行增益调节、积分、校正调零得到悬浮间隙处的磁通密度；同时，采集所述EMS型低速悬浮列车的悬浮加速度和悬浮间隙；
[0010]2)根据所述悬浮间隙处的磁通密度、悬浮加速度、悬浮间隙计算悬浮系统控制率；
[0011]3)根据所述悬浮系统控制率分别生成用于控制所述悬浮电磁铁两端两个悬浮点的闭环控制PWM信号，判断低速悬浮列车当前的悬浮命令值，如果低速悬浮列车当前的悬浮命令值为悬浮，则将所述两个闭环控制PWM信号分别输出至PWM驱动电路来调节悬浮电磁铁与轨道之间的悬浮力；否则，如果低速悬浮列车当前的悬浮命令值为不悬浮，则结束处理并退出。
[0012]作为本发明EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法的进一步改进:
[0013]所述步骤I)中将感应电动势依次进行增益调节、积分、校正调零得到悬浮间隙处的磁通密度的详细步骤如下:
[0014]1.1)将所述磁通感应线圈当前输出的感应电动势进行增益调整；
[0015]1.2)将所述感应电动势根据式(I)进行积分得到悬浮间隙处磁通密度；
[0016]B= / K.Edt (I)
[0017]式(I)中，B为悬浮间隙处磁通密度，K为增益调整的调整增益参数，E为磁通感应线圈输出的感应电动势；
[0018]1.3)对积分的结果根据磁通标定值进行校正调零得到悬浮间隙处的磁通密度。
[0019]所述步骤2)中具体是指根据式(2)计算悬浮系统控制率；
[0020]v=kp(z-z0)+kj.f (Z-Z0) dt+kd.f adt+kb.B (2)
[0021]式(2)中，V为悬浮系统控制率，a为采集得到的悬浮加速度，z为采集得到的悬浮间隙，B为采集得到的悬浮间隙处磁通密度；kp为悬浮系统刚度，Z0为设定的悬浮间隙，Ici为悬浮系统积分增益，kd为悬浮系统阻尼，kb悬浮系统磁通增益。
[0022]所述步骤3)中具体是指根据式(3)分别生成用于控制所述悬浮电磁铁两端两个悬浮点的闭环控制PWM信号；
[0023]
【权利要求】
1.一种EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法，其特征在于实施步骤如下: 1)预先在EMS型低速悬浮列车的悬浮电磁铁上的线包外侧绕设磁通感应线圈，且在所述HMS型低速悬浮列车行驶时检测所述磁通感应线圈的感应电动势,将所述感应电动势依次进行增益调节、积分、校正调零得到悬浮间隙处的磁通密度；同时，采集所述EMS型低速悬浮列车的悬浮加速度和悬浮间隙； 2)根据所述悬浮间隙处的磁通密度、悬浮加速度、悬浮间隙计算悬浮系统控制率； 3)根据所述悬浮系统控制率分别生成用于控制所述悬浮电磁铁两端两个悬浮点的闭环控制PWM信号，判断低速悬浮列车当前的悬浮命令值，如果低速悬浮列车当前的悬浮命令值为悬浮，则将所述两个闭环控制PWM信号分别输出至PWM驱动电路来调节悬浮电磁铁与轨道之间的悬浮力；否则，如果低速悬浮列车当前的悬浮命令值为不悬浮，则结束处理并退出。
2.根据权利要求1所述的EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤I)中将感应电动势依次进行增益调节、积分、校正调零得到悬浮间隙处的磁通密度的详细步骤如下: 1.1)将所述磁通感应线圈当前输出的感应电动势进行增益调整； 1.2)将所述感应电动势根据式(I)进行积分得到悬浮间隙处磁通密度； B= / K.Edt(I) 式(I)中，B为悬浮间隙处磁通密度，K为增益调整的调整增益参数，E为磁通感应线圈输出的感应电动势； 1.3)对积分的结果根据磁通标定值进行校正调零得到悬浮间隙处的磁通密度。
3.根据权利要求1或2所述的EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法，其特征在于:所述步骤2)中具体是指根据式(2)计算悬浮系统控制率； v=kp (z-z0)+kj.f (z-zQ) dt+kd.f adt+kb.B(2) 式(2)中，V为悬浮系统控制率，a为采集得到的悬浮加速度，z为采集得到的悬浮间隙，B为采集得到的悬浮间隙处磁通密度；kp为悬浮系统刚度，Z0为设定的悬浮间隙，Ici为悬浮系统积分增益，kd为悬浮系统阻尼，kb悬浮系统磁通增益。
4.根据权利要求3所述的EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制方法，其特征在于:所述步骤3)中具体是指根据式(3)分别生成用于控制所述悬浮电磁铁两端两个悬浮点的闭环控制PWM信号；
5.一种EMS型低速悬浮列车的磁通反馈悬浮控制装置，其特征在于:包括传感器组(I)、数据采集板(2)、悬浮控制器(3)和PWM驱动电路(4)，所述传感器组(I)包括加速度计(11 )、悬浮间隙传感器(12)和磁通传感器(13)，所述磁通传感器(13)包括依次相连的磁通感应线圈(131)和磁通处理电路板(132)，所述磁通处理电路板(132)包括依次串联的磁通信号增益调整电路(133)、积分电路(134)和校正调零电路(135)，所述磁通感应线圈(131)绕设于EMS型低速悬浮列车的悬浮电磁铁(101)上且磁通感应线圈(131)的横截面积与所述悬浮电磁铁(101)中铁芯(102)的横截面积相等，所述加速度计(11)、悬浮间隙传感器(12)、磁通处理电路板(132)分别通过数据采集板(2)与悬浮控制器(3)的输入端相连，所述悬浮控制器(3)的输出`端与PWM驱动电路(4)相连。
【文档编号】B60L13/04GK103522912SQ201310487882
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】李 杰, 张文清, 张锟, 崔鹏, 周丹峰 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学