一种磁悬浮列车用智能斩波系统的制作方法

本发明涉及智能控制技术领域，尤其是涉及一种磁悬浮列车用智能斩波系统。

背景技术：

现有斩波器，也称为半h桥斩波器，如图1所示，包括两个相同的功率管及两个二极管，以桥式结构连接，一个功率管q1和一个二极管d1串联组合后位于一个桥臂，另一个二极管d2与另一个功率管q2串联组合后位于另一个桥臂，二个串联组合并联后分别接在主电ud的两端，在二个桥臂的串联连接点处引出输出端，用于连接负载，一般情况下负载为感性负载。二个功率管共用同一个pwm信号，当pwm信号有效时，功率管导通，主电接到负载两端，使其电流上升；当pwm无效时，功率管q1、q2关断，感性负载通过二极管d2和d3续流，此时主电反接到负载两端，使得其电流下降。通过改变控制信号pwm的有效时长和无效时长，即占空比，能够实现对负载电流的控制。

现有的斩波器结构，在接入负载后，在实际工况下主电ud容易波动，这会影响斩波器的输入输出特性，即对于相同的输入控制信号pwm，输出的负载电流并不是确定的。在控制系统中，当斩波器出现这种输入输出特性的变化时，会给系统的控制性能带来不利影响，无法满足控制系统具有较好的鲁棒性的要求。在一些要求比较高的应用场景，如磁悬浮列车系统中，这种输入输出特性的变化，会降低到列车的悬浮性能，严重时导致悬浮失稳，为列车带来安全隐患。

因此，设计一种能够精确控制输出电流的斩波系统，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能斩波系统，由控制计算单元根据磁悬浮间隙、列车垂向加速度，计算目标电流并传输给斩波单元，斩波单元检测主电电压、实际输出电流，在传递函数中考虑主电电压因素，控制实际输出电流等于目标电流，实现对输出电流的精确控制。

本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种智能斩波系统，包括相互连接的控制计算单元、斩波单元，控制计算单元根据磁悬浮间隙、列车垂向加速度，计算目标电流并传输给斩波单元，斩波单元用于控制实际输出电流等于目标电流。

本发明进一步设置为：控制计算单元输出目标电流指令，斩波单元采集主电电压信号、实际输出电流信号，将实际输出电流与目标电流进行比较，结合主电电压信号进行运算，生成pwm信号，控制实际输出电流大小。

本发明进一步设置为：设置斩波单元模型包括相互连接的控制模型、斩波器模型，控制模型接收目标电流与输出电流，进行运算，生成pwm信号给斩波器模型，斩波器模型将pwm信号转换为等效电压后施加到负载模块上，负载模型用于将等效电压转换为实际输出电流。

本发明进一步设置为：斩波单元进行运算，其传递函数表示为：

式中，ud表示主电电压，kp表示比例反馈系数，ki表示积分反馈系数，l表示感性负载的电感量，r表示感性负载的电阻值，s表示微分算子，s²表示二阶微分。

本发明进一步设置为：在闭环系统阻尼比为ξ、带宽为ωn时，控制参数表示如下：

本发明进一步设置为：斩波单元模型中还包括驱动模型，分别与控制模型、斩波器模型连接，用于隔离控制模型与斩波器模型电路，并对控制模型输出的pwm信号进行功率放大。

本发明进一步设置为：控制模型接收驱动模型的驱动状态信号，进行故障诊断。

本发明进一步设置为：斩波单元中还包括采集模型，分别与控制模型、斩波器模型、负载模型连接，用于采集负载模型上的实际输出电流、斩波器模型上的主电电压，并传输给控制模型。

本发明进一步设置为：驱动模型接收斩波器模型中斩波器状态信号，判断斩波器是否正常，在斩波器故障时进行关断。

与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：

1.本申请根据磁悬浮间隙、列车垂向加速度，计算目标电流，并控制实际输出电流等于目标电流，实现对斩波器输出电流的精确控制；

2.进一步地，本申请的控制计算单元输出目标电流指令信号给斩波单元，而不是输出pwm信号给斩波单元，使斩波单元输入信号直接与目标电流相关，减少了中间转换，为提高输出电流精度提供基础；

3.进一步地，本申请斩波单元根据输入的目标电流指令信号，同时检测主电电压与实际输出电流，确保实际输出电流等于目标电流，排除了主电电压变动对输出电流的影响，保证了输出电流的精度。

附图说明

图1是现有半h桥斩波器原理图；

图2是本申请的一个具体实施例的斩波单元模型结构示意图；

图3是本申请的一个具体实施例的智能斩波系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本申请的一种智能斩波系统，包括相互连接的控制计算单元、斩波单元，控制计算单元接收磁悬浮间隙信号、列车垂向加速度信号，计算斩波系统的目标电流，斩波单元接收目标电流指令信号，检测主电电压信号、实际输出电流信号，将实际输出电流与目标电流进行比较，结合主电电压进行运算，生成pwm信号，控制斩波系统的实际输出电流等于目标电流。

在本申请的一个具体实施例中，设置斩波单元模型，在斩波单元模型中，如图2所示，包括依次连接的控制模块模型、斩波器模型，控制模块模型接收控制计算单元的目标电流信号、斩波单元的输出电流信号，进行运算，生成pwm信号给斩波器模型，斩波器模型将pwm信号转换为等效电压，负载模型用于将等效电压转换为实际输出电流，斩波单元模型根据目标电流，控制负载模型的输出电流等于目标电流。

控制模块模型根据目标电流与实际输出电流，进行微分与积分运算，其运算因子为：kp+ki/s，其中，kp表示比例反馈系数，ki表示积分反馈系数，s表示微分算子。

斩波器模型，在有电流的情况下，

输出等效电压＝主电电压×(2×占空比-1)；

在平衡点附近线性化之后，不考虑平衡状态，只考虑偏离平衡状态的变化量，

输出等效电压的变化量＝主电电压×2×占空比的变化量。负载模型为感性负载，其阻抗为：1/(ls+r)，其中，l表示感性负载的电感量，r表示感性负载的电阻值。

斩波单元模型为一个闭环系统，其传递函数为：

式中，ud表示主电电压，s²表示二阶微分。

在闭环系统阻尼比为ξ、带宽为ωn时，控制参数表示如下：

由此可见，当主电压ud下降后，控制参数kp和ki增大，以维持该斩波器对电流跟踪的性能指标保持不变。

在本申请的另一个具体实施例中，本申请的一种智能斩波系统如图3所示，包括控制计算单元、斩波单元，根据斩波单元模型设置斩波单元，包括控制模块、驱动模块、斩波器模块、采集模块，控制模块与控制计算单元、驱动模块、采集模块连接，斩波器模块同时与驱动模块、采集模块、负载模块连接，采集模块还与负载模块连接，形成闭环。

控制模块接收控制计算单元的目标电流指令信号，结合采集模块采集到的斩波器主电电压信号、实际输出电流信号，生成pwm信号给驱动模块，驱动模块根据pwm信号，驱动斩波器模块工作；斩波器模块工作时，其主电电压施加到负载模块上，经过负载模块的转换，转换成实际输出电流。

控制模块采用pi电流反馈，以实现对电流的快速跟踪，同时消除电流跟踪的稳态误差。

采集模块用于采集负载模块的实际输出电流、斩波器模块主电电压，控制模块将目标电流信号与实际输出电流进行比较，再结合主电电压信号，调整pwm信号的占空比，使实际输出电流等于目标电流，达到对输出电流的控制。

斩波器模块包括半h桥斩波器，用于根据pwm信号，将主电电压施加到负载模块上。

驱动模块包括隔离电路，用于隔离控制模块与斩波器模块电路，并对pwm信号进行功率放大。

在本申请的一个具体实施例中，驱动模块还包括驱动状态检测电路，用于检测驱动模块中功率管的状态，并将驱动状态检测信号传输给控制模块。

控制模块中包括驱动信号接收电路，用于接收驱动状态检测信号，并根据驱动状态检测信号，判断驱动模块是否正常，控制驱动模块是否工作，在驱动模块出现故障时，控制pwm信号置0，关断驱动模块工作。

在本申请的一个具体实施例中，斩波器模块中包括斩波器状态检测电路，用于检测斩波器模块中功率管、二极管的状态，并将斩波器状态信号传输给驱动模块。

驱动模块还包括斩波器状态信号接收电路，用于接收斩波器状态信号，并根据斩波器状态信号，判断斩波器是否正常，控制斩波器模块的工作，在斩波器故障时进行关断。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。