一种电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，步骤包括：分别获取每一个悬浮模块A端和B端的当前悬浮间隙、当前速度以及当前虚拟磁通；分别以悬浮模块A端和B端的当前悬浮间隙、当前速度作为外环反馈量，结合设定悬浮间隙计算出悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁通；分别以悬浮模块A端和B端的当前虚拟磁通作为内环反馈量，结合悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁通计算得到悬浮模块A端和B端的控制量信号，实现悬浮模块A端和B端的稳定悬浮。本发明能够避开悬浮力、悬浮电流、悬浮间隙之间的非线性耦合关系，克服基于电流内环控制方法的固有缺陷，提高悬浮系统的跟踪性能和鲁棒性能，无需硬件传感器，实施成本低、可靠性高。
【专利说明】一种电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁浮列车悬浮控制技术，具体涉及一种基于虚拟磁通反馈的电磁型常 导（Electro Magnetic Suspension，简称EMS)低速磁浮列车的悬浮控制方法。
【背景技术】
[0002] 电磁型常导（Electro Magnetic Suspension，简称EMS)低速磁浮列车是一种依靠 安装在列车上的电磁铁与轨道之间的吸引力使列车悬浮在轨道上运行的新型交通工具，以 其安全、舒适、高速、无污染等优点赢得越来越多的关注。EMS型低速磁浮列车的电磁铁与轨 道构成列车的悬浮系统，该系统是一个不稳定系统，必须通过反馈控制，才能实现列车的稳 定悬浮。悬浮性能主要取决于悬浮控制方法。悬浮控制方法的关键在于设计一个悬浮控制 系统，由悬浮控制系统根据当前悬浮系统的悬浮状态，通过控制PWM来控制电磁力的大小， 进而保证电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定的间隙值，从而实现磁浮列车的稳定悬 浮。
[0003] 如图1和图2所示，目前EMS型低速磁浮列车采用模块化转向架结构，每节车有四 个转向架1，每个转向架1由左右两个悬浮模块2组成，悬浮模块2间通过防侧滚梁3相连。 每个悬浮模块2安装有四个悬浮电磁铁21，沿列车行进方向将四个悬浮电磁铁21分为两 组，每组包含两个悬浮电磁铁21，组内的两个悬浮电磁铁21串联等效为一个单电磁铁，通 过两个单电磁铁和轨枕上呈F形的轨道4直线磁悬浮。悬浮模块2之间基本上实现了机械 解耦，具有独立的运动自由度，因此悬浮模块是EMS型低速磁浮列车的基本悬浮单元。
[0004] 如图3所示，对于某一个悬浮模块而言，A端和B端分别安装有悬浮传感器组A和 悬浮传感器组B，每组悬浮传感器均包括一个间隙传感器、一个加速度传感器和一个电流传 感器，即悬浮传感器组A包括间隙传感器A、加速度传感器A和电流传感器A，悬浮传感器 组B包括间隙传感器B、加速度传感器B和电流传感器B。间隙传感器A和间隙传感器B分 别用于测量悬浮模块A端和悬浮模块B端的悬浮间隙，加速度传感器A和加速度传感器B 分别用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的运动加速度，电流传感器A和电流传感器B分别 套在悬浮斩波器A和悬浮斩波器B的输出导线上，用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的悬 浮电流。悬浮传感器组A将测量得到的A端的悬浮状态（悬浮间隙、电磁铁运动加速度和 悬浮电流）通过电缆送到悬浮控制板，悬浮传感器组B将测量得到的B端的悬浮状态（悬 浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流）通过电缆送到悬浮控制板。悬浮控制板进行悬浮 控制时，内环采用电流反馈，外环采用间隙、速度以及加速度反馈，结合来自车载监控系统 的悬浮/降落命令，计算出控制量，并输出到悬浮斩波器中，分别控制两端电磁铁的电流大 小，进而控制两端电磁力的大小，保证模块两端与轨道之间的间隙保持恒定。但是，由于在 传统的悬浮系统设计中，悬浮控制板以快速电流环作为内环，以间隙环作为外环，难以克服 悬浮力、悬浮间隙、电流三者之间的非线性耦合关系带来的影响，导致悬浮系统的参数范围 较小，稳定欲度较差，跟踪性能和鲁棒性能难以有效兼顾。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够避开悬浮力、悬浮电流、悬浮间隙之间 的非线性耦合关系，克服基于电流内环控制方法的固有缺陷，提高悬浮系统的跟踪性能和 鲁棒性能，无需硬件传感器，实施成本低、可靠性高的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制 方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，步骤包括：
[0008] 1)分别获取电磁型常导低速磁浮列车每一个悬浮模块A端和B端的当前悬浮间 隙、当前速度以及当前虚拟磁通；
[0009] 2)分别以悬浮模块A端和B端的当前悬浮间隙、当前速度作为外环反馈量，结合设 定悬浮间隙计算出悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁通；分别以悬浮模块A端和B端的当 前虚拟磁通作为内环反馈量，结合悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁通计算得到悬浮模块 A端和B端的控制量信号，通过所述悬浮模块A端和B端的控制量信号分别实现悬浮模块A 端和B端的稳定悬浮。
[0010] 优选地，所述步骤1)的步骤包括：
[0011] 1.1)查询电磁型常导低速磁浮列车当前的悬浮/降落指令状态，如果当前的悬浮 /降落指令状态为悬浮指令，则跳转执行步骤1. 2);否则跳转执行步骤1. 6);
[0012] 1. 2)分别获取悬浮模块A端和B端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙传感器信号、 加速度传感器信号、悬浮电流传感器信号；
[0013] 1. 3)分别将悬浮模块A端和B端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙传感器信号、加 速度传感器信号、悬浮电流传感器信号变换为悬浮模块A端和B端的悬浮间隙值、运动速度 值、悬浮电流值；
[0014] 1. 4)分别根据上一个周期悬浮模块A端和B端的控制量信号分别估计当前周期应 当施加在悬浮模块A端和B端的控制电压；
[0015] 1. 5)分别利用低通滤波器对悬浮模块A端和B端的控制电压进行滤波得到悬浮模 块A端和B端的平均控制电压；
[0016] 1. 6)分别利用低通滤波器对悬浮模块A端和B端的悬浮电流值进行滤波，得到流 经悬浮模块A端和B端的平均悬浮电流；
[0017] 1. 7)分别根据悬浮模块A端和B端的平均控制电压、悬浮模块A端和B端的平均 悬浮电流，计算出悬浮模块A端和B端的直流电阻；
[0018] 1. 8)分别根据悬浮模块A端和B端的控制电压、悬浮电流、直流电阻计算悬浮模块 A端和悬浮模块B端的当前虚拟磁通。
[0019] 优选地，所述步骤1. 3)具体是指根据式（1)将悬浮模块A端和B端的悬浮传感器 组输出的悬浮间隙传感器信号、加速度传感器信号、悬浮电流传感器信号变换为悬浮模块A 端和B端的悬浮间隙值、运动速度值、悬浮电流值；
【权利要求】
1. 一种电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于步骤包括： 1) 分别获取电磁型常导低速磁浮列车每一个悬浮模块A端和B端的当前悬浮间隙、当 前速度以及当前虚拟磁通； 2) 分别以悬浮模块A端和B端的当前悬浮间隙、当前速度作为外环反馈量，结合设定悬 浮间隙计算出悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁通；分别以悬浮模块A端和B端的当前虚 拟磁通作为内环反馈量，结合悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁通计算得到悬浮模块A端 和B端的控制量信号，通过所述悬浮模块A端和B端的控制量信号分别实现悬浮模块A端 和B端的稳定悬浮。
2. 根据权利要求1所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，所 述步骤1)的步骤包括： 1. 1)查询电磁型常导低速磁浮列车当前的悬浮/降落指令状态，如果当前的悬浮/降 落指令状态为悬浮指令，则跳转执行步骤1.2);否则跳转执行步骤1.6); 1. 2)分别获取悬浮模块A端和B端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙传感器信号、加速 度传感器信号、悬浮电流传感器信号； 1. 3)分别将悬浮模块A端和B端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙传感器信号、加速度 传感器信号、悬浮电流传感器信号变换为悬浮模块A端和B端的悬浮间隙值、运动速度值、 悬浮电流值； 1. 4)分别根据上一个周期悬浮模块A端和B端的控制量信号分别估计当前周期应当施 加在悬浮模块A端和B端的控制电压； 1. 5)分别利用低通滤波器对悬浮模块A端和B端的控制电压进行滤波得到悬浮模块A端和B端的平均控制电压； 1. 6)分别利用低通滤波器对悬浮模块A端和B端的悬浮电流值进行滤波，得到流经悬 浮模块A端和B端的平均悬浮电流； 1. 7)分别根据悬浮模块A端和B端的平均控制电压、悬浮模块A端和B端的平均悬浮 电流，计算出悬浮模块A端和B端的直流电阻； 1. 8)分别根据悬浮模块A端和B端的控制电压、悬浮电流、直流电阻计算悬浮模块A端 和悬浮模块B端的当前虚拟磁通。
3. 根据权利要求2所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于：所 述步骤1.3)具体是指根据式（1)将悬浮模块A端和B端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙 传感器信号、加速度传感器信号、悬浮电流传感器信号变换为悬浮模块A端和B端的悬浮间 隙值、运动速度值、悬浮电流值；
式（1)中，Di表示悬浮模块A端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙传感器信号，D2表示 悬浮模块B端的悬浮传感器组输出的悬浮间隙传感器信号，GaPl表示悬浮模块A端的悬浮 间隙值，Gap2表示悬浮模块B端的悬浮间隙值；vi表示悬浮模块A端的运动速度值，v2表示 悬浮模块B端的运动速度值，％表示悬浮模块A端的悬浮传感器组输出的加速度传感器信 号，V2表示悬浮模块B端的悬浮传感器组输出的加速度传感器信号；ii表示悬浮模块A端 的悬浮电流值，i2表示悬浮模块B端的悬浮电流值，表示悬浮模块A端的悬浮传感器组 输出的悬浮电流传感器信号，12表示悬浮模块B端的悬浮传感器组输出的悬浮电流传感器 信号。
4. 根据权利要求2所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于：所 述步骤1.4)具体是指根据式（2)估计当前周期应当施加在悬浮模块A端和B端的控制电 压；
式（2)中，Ul表示当前周期应当施加在悬浮模块A端的控制电压，u2表示当前周期应当 施加在悬浮模块B端的控制电压，PWM_A表示上一个周期悬浮模块A端的控制量信号，PWM_ B表示上一个周期悬浮模块B端的控制量信号。
5. 根据权利要求2所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于：所 述步骤1. 5)中所使用的低通滤波器的表达式如式（3)所述；
式（3)中，6表示悬浮模块A端的平均控制电压，5表示悬浮模块B端的平均控制电 压，Ui(t)表示悬浮模块A端的控制电压，u2(t)表示悬浮模块B端的控制电压。
6. 根据权利要求2所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于：所 述步骤1. 6)中所使用的低通滤波器的表达式如式（4)所述；
式（4)中，^表示流经悬浮模块A端的平均悬浮电流，I表示流经悬浮模块B端的平均 悬浮电流，ii(T)表示悬浮模块A端的悬浮电流值，i2(T)表示悬浮模块B端的悬浮电流 值。
7. 根据权利要求2所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于：所 述步骤1. 7)中具体是指使用式（5)计算出悬浮模块A端和B端的直流电阻；
式（5)中，A表示悬浮模块A端的直流电阻，4表示悬浮模块B端的直流电阻表示 悬浮模块A端的平均控制电压，％表示悬浮模块B端的平均控制电压，f表示流经悬浮模块 A端的平均悬浮电流，I表示流经悬浮模块B端的平均悬浮电流。
8. 根据权利要求2所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于：所 述步骤1.7)中具体是指使用式（6)计算悬浮模块A端和悬浮模块B端的当前虚拟磁通；
式（6)中，表示悬浮模块A端的当前虚拟磁通，B2表示悬浮模块B端的当前虚拟磁 通，N表示单电磁铁的线圈匝数，A表示磁环导磁截面积，Ui(t)表示悬浮模块A端在t时 刻的控制电圧，為表示悬浮模块A端的直流电阻，ijT)表示悬浮模块A端在t时刻的悬 浮电流值；u2(t)表示悬浮模块B端在t时刻的控制电压，先表示悬浮模块B端的直流电 阻，i2(T)表示悬浮模块B端在t时刻的悬浮电流值。
9. 根据权利要求1?8中任意一项所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法， 其特征在于：所述步骤2)中具体是根据式（7)计算出悬浮模块A端和B端的期望虚拟磁 通；
式（7)中，Bexpl表示悬浮模块A端的期望虚拟磁通，Bexp2表示悬浮模块B端的期望虚拟 磁通，分别表示模块A端和B端的期望悬浮间隙，di表示悬浮模块A端的当前悬浮 间隙，d2表示悬浮模块B端的当前悬浮间隙，vi表示悬浮模块A端的当前速度，v2表示悬浮 模块B端的当前速度。
10. 根据权利要求9所述的电磁型常导低速磁浮列车的悬浮控制方法，其特征在于，所 述步骤2)中具体是指根据式（8)计算得到悬浮模块A端和B端的控制量信号；
式（8)中，PWM_A表示悬浮模块A端的控制量信号，PWM_B表示悬浮模块B端的控制量 信号，Bexpl表示悬浮模块A端的设定虚拟磁通，B表示悬浮模块B端的设定虚拟磁通，B: 表示悬浮模块A端的当前虚拟磁通，B2表示悬浮模块B端的当前虚拟磁通。
【文档编号】B60L13/06GK104477048SQ201410708491
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】李 杰, 李金辉, 周丹峰, 张锟, 崔鹏, 余佩倡, 王连春 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学