一种中低速磁浮列车双磁铁悬浮模块用三桥臂悬浮斩波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于中低速磁浮列车双磁铁结构悬浮模块的三桥臂悬浮斩波器。由三桥臂悬浮斩波电路、电磁铁电流控制单元和三桥臂脉冲分配单元组成。三桥臂悬浮斩波电路由三个开关管和三个二极管组成。三个桥臂中，有一个公共桥臂，桥臂二极管与开关管串联处连接两个悬浮电磁铁的同名端，另外两个桥臂二极管与开关管串联处分别连接悬浮电磁铁的剩余两端。两个独立桥臂开关管与二极管的上下位置相同，但与公共桥臂相反的。悬浮模块中的每一个电磁铁都通过公共桥臂与各自的独立桥臂构成一个双桥臂悬浮斩波电路。本发明悬浮斩波器在结构形式上比两个电磁铁分别采用两个双桥臂的电路，要节约一组桥臂，相应节省空间，但最大电流变化率仍保持不变。
【专利说明】一种中低速磁浮列车双磁铁悬浮模块用三桥臂悬浮斩波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及中低速磁浮列车单悬浮模块中双磁铁电流控制实现装置，也涉及磁浮列车悬浮控制技术与电力电子技术。
【背景技术】
[0002]在目前的中低速磁浮列车中，有三转向架结构和五转向架等几种结构。每个转向架有四个悬浮控制点，通过转向架的机械解耦，悬浮控制点之间机械耦合较小，运动相对独立。每个悬浮控制点可以作为一个独立的单点悬浮系统，单点悬浮系统也称为单悬浮模块。每一个悬浮模块由一套悬浮传感器、一套悬浮控制器、两个悬浮电磁铁和一套悬浮斩波器构成。
[0003]对于单悬浮模块来说，悬浮传感器和悬浮控制器用于检测悬浮间隙值以及悬浮电磁铁的加速度，并且根据检测回来的间隙和加速度值对悬浮电磁铁的期望电流值(悬浮斩波器电流给定值)进行计算。对单悬浮模块来说，它的两个悬浮电磁铁的给定电流只有一个。悬浮斩波电路根据给定电流值对电磁铁电流进行实现。
[0004]悬浮斩波电路通常采用双桥臂电路，由于电磁铁电流单向流动，桥臂采用开关管与二极管串联结构，桥臂的两端连接输入电源，桥臂二极管与开关管串联处，也称输出端，连接电磁铁一端。两桥臂中一个桥臂开关管在上二极管在下，称上桥臂，上桥臂开关管开通，电磁铁一端与电源正极相连；一个开关管在下二极管在上，称下桥臂，下桥臂开关管开通，电磁铁另一端与电源负极相连。上下桥臂同时导通，则电感承受电源电压，电感电流增力口，上下桥臂同时关断，则电感电流通过二极管流动，电感承受反向电源电压，电感电流减小，如果只有一个开关管导通，电感会通过另一桥臂二极管与开通的开关管进行续流。通过控制上下桥臂开关管的开通与关断，就可以控制电磁铁电流的大小。理论分析表明电磁铁电流与开关管开通的总时间或者占空比之和成正比。
[0005]由于电磁铁具有两个，目前采用两种方法对电磁铁电流进行控制:(1)双磁铁串联方案:将两个悬浮电磁铁串联后使用一套悬浮斩波电路和一套电流控制单元，对串联悬浮电磁铁电流进行控制，悬浮斩波器由一套悬浮斩波电路和一套电流控制单元构成；(2)电磁铁独立控制方案:两个悬浮电磁铁各自独立，使用两套悬浮斩波电路和两套电流控制单元分别对两个悬浮电磁铁进行电流控制，悬浮斩波器由两套悬浮斩波电路和两套电流控制单元构成。
[0006]对于串联电磁铁使用一套悬浮斩波电路的方法来说，系统比较简单，但是由于电磁铁串联，使得电磁铁电感比单独控制方案下增大一倍，所以电流的变化速度在同样的输入电压下，减小一倍。对悬浮控制系统来说，电流变化的快慢，反映了悬浮力变化的快慢，电流变化越快，表明悬浮系统的动态特性越好。从这个角度来说独立控制的方案在悬浮系统的性能上优于串联电磁铁的方案，但独立控制意味着增加一套悬浮斩波电路和一套电流控制单兀。
[0007]本专利提出一种基于三桥臂悬浮斩波器，用于控制双电磁铁结构单悬浮模块。三桥臂斩波电路在双桥臂悬浮斩波电路中增加一个桥臂，并且将桥臂分为公共桥臂和独立桥臂，公共桥臂连接电磁铁同名端，可以达到对双电磁铁独立控制的要求。为了对三桥臂进行控制，增加了三桥臂脉冲分配单元，并给出了脉冲分配的方法。这种方案动态性能与独立方案相当，但与串联控制相比硬件上仅需要增加一个桥臂，在实际中通常为一个IGBT模块或者开关模块。三桥臂脉冲分配单元可以通过软件或者硬件电路模块实现，硬件负担不增加或增加不多。这种方案有利于在保证悬浮系统性能的情况下，对悬浮控制系统进行小型化和轻量化。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种中低速磁浮列车双磁铁悬浮模块用三桥臂悬浮斩波器，应用于中低速磁浮列车悬浮系统，使之客服现有技术的以上不足，实现对双电磁铁电流的控制，避免使用两套斩波器或者通过串联牺牲电流的动态特性具有结构优化，性能优良的的优点。
[0009]本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0010]一种中低速磁浮列车双磁铁悬浮模块用三桥臂悬浮斩波器，用于控制双电磁铁结构单悬浮模块，主要由悬浮斩波电路、电磁铁电流控制单元和桥臂脉冲分配单元组成，其中悬浮斩波电路由三组桥臂构成，每一桥臂由二极管与开关管串联组成，其中公共桥臂的开关管与二极管上下位置与其余两桥臂相反，每一桥臂两端与输入电源进行连接，公共桥臂二极管与开关管串联处与两个悬浮电磁铁的同名端相连，其余两个桥臂二极管与开关管串联处分别与两个悬浮电磁铁的另一端相连；相应的，桥臂脉冲分配单元为三桥臂脉冲分配单元。
[0011]所述三桥臂脉冲分配单元根据悬浮电磁铁电流控制单元给出的每一个电磁铁需要的总开通时间对三桥臂的控制脉冲进行分配；公共桥臂分配开通时间为两个电磁铁的开通总时间中的最小值，如果最小值小于零，则公共桥臂开通时间等于零，如果最小值超过开关周期，则公共桥臂开通时间为开关周期；其余两个桥臂的开通时间分别为对应电磁铁总开通时间与公共桥臂开通时间的差值，差值小于零，开通时间等于零，差值大于开关周期，开通时间等于开关周期。
[0012]本发明三桥臂悬浮斩波器首先在功率电路上与传统悬浮斩波器不同。这种不同是基于对独立供电的双斩波电路-双电磁铁方案进行优化。在传统方案中，斩波电路为两个桥臂的电路。针对双电磁铁采用双悬浮斩波器的情况，对两个悬浮斩波器进行优化，将两个斩波器的上桥臂或者下桥臂进行合并，构成公共桥臂，从而提出三桥臂斩波电路的结构。这样形成的斩波器中，具有三个桥臂，一个公共桥臂和两个独立桥臂，每一个桥臂均为二极管与开关管串联结构，独立桥臂的二极管与开关管上下位置一致，公共桥臂二极管与开关管上下位置与独立桥臂相反。这样公共桥臂与两个独立桥臂分别构成两套斩波电路，每套斩波电路均具有一个上开关管桥臂和一个下开关管桥臂。
[0013]在电路结构简化后对电磁铁电流控制方法进行分析。在采用传统的电磁铁电流控制单元对每一个电磁铁根据电流给定和实际电流计算总的开关管开通时间之后，需要考虑在公共桥臂的结构下，开通时间是否可以同时实现，以及如何实现。在采用公共桥臂之后，虽然对每个电磁铁来说，公共桥臂与对应独立桥臂可以构成一套具有一个上开关管桥臂和一个下开关管桥臂的完整斩波电路，但是由于公共桥臂的存在，两个电磁铁的开通时间受到一定的限制，两者如果相差太大，公共桥臂的动作可能无法同时满足两个电磁铁的要求。根据中低速磁浮列车悬浮模块电流控制的特点，双电磁铁电流给定一致，电磁铁的尺寸和匝数等设计参数是相同的，具体制造和工作中产生的参数差别是有限的，可以认为双电磁铁参数基本一致。那么两个一致就使得在三桥臂悬浮斩波电路结构下对双电磁铁的电流控制单元的计算结果相差不会太大，这种差别可以通过调节不同的独立桥臂开通时间来满足。所以在单悬浮模块中，三桥臂斩波电路可以对通过控制脉冲分配满足每一个电磁铁电流进行准确控制。
[0014]由于单悬浮模块的结构和参数上的两个一致使得三桥臂悬浮斩波器可以对每一个电磁铁电流进行准确控制，在每一个电磁铁对应的电流控制单元给出需要的总开关管开通时间后，依据相同部分由公共桥臂实现，差别有独立桥臂实现的原则，通过三桥臂脉冲分配单元对三个桥臂的开通时间进行分配。
[0015]在双臂结构的悬浮斩波电路中，假设两个桥臂的开关管的开通时间分别为Tup和
Td_,那么斩波电路的输出电流为€ = + - 7)，其中为u电源电压，R为电磁铁电
阻，T为开关周期。在传统控制中，按照Tup = Td_进行上下桥臂脉冲控制，也就是上下臂开关管同步动作，电流控制单元计算斩波器单管开通时间，然后执行。在三桥臂斩波电路中公共桥臂与电磁铁对应的独立桥臂形成双臂结构斩波电路，在这种结构下，系统上下桥臂总的开通时间最小为公共桥臂开通时间，最大不超过公共桥臂开通时间与开关周期的和。如果三桥臂斩波器电流控制单元对每一个电磁铁计算其需要的上下桥臂总的开通时间，假设分别为T1和T2，其中公共桥臂开通时间为PWM3，独立桥臂开通时间分别为PWMl和PWM2，开关周期为T。那么三桥臂脉冲分配单元的工作流程如图3所示。由于每一个电磁铁控制系统上下桥臂总的开通时间最小为公共桥臂开通时间，那么公共桥臂的开通时间应该是T1和T2中的最小值，考虑到在单周期内公共桥臂的开通时间大于等于O小于等于T，所以公共桥臂的开通时间应该是!^!^和开关周期中的最小值，且最小为零。对应的独立桥臂为相应的总的开关时间减去公共桥臂的开`通时间独立桥臂的开通时间，同时保证独立桥臂开通时间不小于零且不超过开关周期。这样通过三桥臂的控制脉冲分配可以保证两个悬浮电磁铁电流可以达到精确控制。
[0016]发明提出的三桥臂悬浮斩波器首先采用了一种具有公共桥臂的斩波电路，公共桥臂连接双电磁铁的同名端，通过各个电磁铁的电流控制单元以及三桥臂脉冲分配单元，对三个桥臂进行控制，实现对双电磁铁电流的控制，避免使用两套斩波器或者通过串联牺牲电流的动态特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是三桥臂悬浮斩波器与双电磁铁系统原理图。
[0018]图2是三桥臂悬浮斩波电路另一种实现方式。
[0019]图3是三桥臂脉冲分配单元工作逻辑图。
[0020]图4是三桥臂脉冲分配单元硬件电路框图。【具体实施方式】
[0021]实施例一
[0022]K1、K2和Κ3三个开关管采用同周期控制，，假设它们的开关周期均为Τ。三桥臂中的公共桥臂采用下开关管结构，如图1所示，其连接中点与双电磁铁的同名端(电磁铁电流流出端)连接在一起，其余两个桥臂分别与双电磁铁的另一端相连。
[0023]在实施的时候，对电磁铁I和2的电流进行分别采样，根据电磁铁I的电流反馈控制单元1，计算Kl和Κ3的开通总时间Ml ;根据电磁铁2的电流反馈控制单元2，计算Κ2和Κ3的开通总时间M2 ;最后三桥臂脉冲分配单元按照流程图3通过软件分别计算Κ1、Κ2和Κ3的开通时间P丽1、P丽2和P丽3。
【权利要求】
1.一种中低速磁浮列车双磁铁悬浮模块用三桥臂悬浮斩波器，用于控制双电磁铁结构单悬浮模块，主要由悬浮斩波电路、电磁铁电流控制单元和桥臂脉冲分配单元组成，其特征在于，其中悬浮斩波电路由三组桥臂构成，每一桥臂由二极管与开关管串联组成，其中公共桥臂的开关管与二极管上下位置与其余两桥臂相反，每一桥臂两端与输入电源进行连接，公共桥臂二极管与开关管串联处与两个悬浮电磁铁的同名端相连，其余两个桥臂二极管与开关管串联处分别与两个悬浮电磁铁的另一端相连；相应的，桥臂脉冲分配单元为三桥臂脉冲分配单元。
2.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮列车双磁铁悬浮模块用三桥臂悬浮斩波器，其特征在于:所述三桥臂脉冲分配单元根据悬浮电磁铁电流控制单元给出的每一个电磁铁需要的总开通时间对三桥臂的控制脉冲进行分配；公共桥臂分配开通时间为两个电磁铁的开通总时间中的最小值，如果最小值小于零，则公共桥臂开通时间等于零，如果最小值超过开关周期，则公共桥臂开通时间为开关周期；其余两个桥臂的开通时间分别为对应电磁铁总开通时间与公共桥臂开通时间的差值，差值小于零，开通时间等于零，差值大于开关周期，开通时间等于开关周期。
【文档编号】H02M3/155GK103780085SQ201410010300
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】董金文, 张昆仑, 刘放, 王滢, 刘国清, 靖永志 申请人:西南交通大学