一種電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法
2023-05-31 04:18:51 2
一種電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，步驟包括：分別獲取每一個懸浮模塊A端和B端的當前懸浮間隙、當前速度以及當前虛擬磁通；分別以懸浮模塊A端和B端的當前懸浮間隙、當前速度作為外環反饋量，結合設定懸浮間隙計算出懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁通；分別以懸浮模塊A端和B端的當前虛擬磁通作為內環反饋量，結合懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁通計算得到懸浮模塊A端和B端的控制量信號，實現懸浮模塊A端和B端的穩定懸浮。本發明能夠避開懸浮力、懸浮電流、懸浮間隙之間的非線性耦合關係，克服基於電流內環控制方法的固有缺陷，提高懸浮系統的跟蹤性能和魯棒性能，無需硬體傳感器，實施成本低、可靠性高。
【專利說明】一種電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及磁浮列車懸浮控制技術，具體涉及一種基於虛擬磁通反饋的電磁型常 導（Electro Magnetic Suspension，簡稱EMS)低速磁浮列車的懸浮控制方法。
【背景技術】
[0002] 電磁型常導（Electro Magnetic Suspension，簡稱EMS)低速磁浮列車是一種依靠 安裝在列車上的電磁鐵與軌道之間的吸引力使列車懸浮在軌道上運行的新型交通工具，以 其安全、舒適、高速、無汙染等優點贏得越來越多的關注。EMS型低速磁浮列車的電磁鐵與軌 道構成列車的懸浮系統，該系統是一個不穩定系統，必須通過反饋控制，才能實現列車的穩 定懸浮。懸浮性能主要取決於懸浮控制方法。懸浮控制方法的關鍵在於設計一個懸浮控制 系統，由懸浮控制系統根據當前懸浮系統的懸浮狀態，通過控制PWM來控制電磁力的大小， 進而保證電磁鐵與軌道之間的間隙始終保持在設定的間隙值，從而實現磁浮列車的穩定懸 浮。
[0003] 如圖1和圖2所示，目前EMS型低速磁浮列車採用模塊化轉向架結構，每節車有四 個轉向架1，每個轉向架1由左右兩個懸浮模塊2組成，懸浮模塊2間通過防側滾梁3相連。 每個懸浮模塊2安裝有四個懸浮電磁鐵21，沿列車行進方向將四個懸浮電磁鐵21分為兩 組，每組包含兩個懸浮電磁鐵21，組內的兩個懸浮電磁鐵21串聯等效為一個單電磁鐵，通 過兩個單電磁鐵和軌枕上呈F形的軌道4直線磁懸浮。懸浮模塊2之間基本上實現了機械 解耦，具有獨立的運動自由度，因此懸浮模塊是EMS型低速磁浮列車的基本懸浮單元。
[0004] 如圖3所示，對於某一個懸浮模塊而言，A端和B端分別安裝有懸浮傳感器組A和 懸浮傳感器組B，每組懸浮傳感器均包括一個間隙傳感器、一個加速度傳感器和一個電流傳 感器，即懸浮傳感器組A包括間隙傳感器A、加速度傳感器A和電流傳感器A，懸浮傳感器 組B包括間隙傳感器B、加速度傳感器B和電流傳感器B。間隙傳感器A和間隙傳感器B分 別用於測量懸浮模塊A端和懸浮模塊B端的懸浮間隙，加速度傳感器A和加速度傳感器B 分別用於測量單電磁鐵A和單電磁鐵B的運動加速度，電流傳感器A和電流傳感器B分別 套在懸浮斬波器A和懸浮斬波器B的輸出導線上，用於測量單電磁鐵A和單電磁鐵B的懸 浮電流。懸浮傳感器組A將測量得到的A端的懸浮狀態（懸浮間隙、電磁鐵運動加速度和 懸浮電流）通過電纜送到懸浮控制板，懸浮傳感器組B將測量得到的B端的懸浮狀態（懸 浮間隙、電磁鐵運動加速度和懸浮電流）通過電纜送到懸浮控制板。懸浮控制板進行懸浮 控制時，內環採用電流反饋，外環採用間隙、速度以及加速度反饋，結合來自車載監控系統 的懸浮/降落命令，計算出控制量，並輸出到懸浮斬波器中，分別控制兩端電磁鐵的電流大 小，進而控制兩端電磁力的大小，保證模塊兩端與軌道之間的間隙保持恆定。但是，由於在 傳統的懸浮系統設計中，懸浮控制板以快速電流環作為內環，以間隙環作為外環，難以克服 懸浮力、懸浮間隙、電流三者之間的非線性耦合關係帶來的影響，導致懸浮系統的參數範圍 較小，穩定欲度較差，跟蹤性能和魯棒性能難以有效兼顧。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種能夠避開懸浮力、懸浮電流、懸浮間隙之間 的非線性耦合關係，克服基於電流內環控制方法的固有缺陷，提高懸浮系統的跟蹤性能和 魯棒性能，無需硬體傳感器，實施成本低、可靠性高的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制 方法。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：
[0007] 一種電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，步驟包括：
[0008] 1)分別獲取電磁型常導低速磁浮列車每一個懸浮模塊A端和B端的當前懸浮間 隙、當前速度以及當前虛擬磁通；
[0009] 2)分別以懸浮模塊A端和B端的當前懸浮間隙、當前速度作為外環反饋量，結合設 定懸浮間隙計算出懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁通；分別以懸浮模塊A端和B端的當 前虛擬磁通作為內環反饋量，結合懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁通計算得到懸浮模塊 A端和B端的控制量信號，通過所述懸浮模塊A端和B端的控制量信號分別實現懸浮模塊A 端和B端的穩定懸浮。
[0010] 優選地，所述步驟1)的步驟包括：
[0011] 1.1)查詢電磁型常導低速磁浮列車當前的懸浮/降落指令狀態，如果當前的懸浮 /降落指令狀態為懸浮指令，則跳轉執行步驟1. 2);否則跳轉執行步驟1. 6);
[0012] 1. 2)分別獲取懸浮模塊A端和B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙傳感器信號、 加速度傳感器信號、懸浮電流傳感器信號；
[0013] 1. 3)分別將懸浮模塊A端和B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙傳感器信號、加 速度傳感器信號、懸浮電流傳感器信號變換為懸浮模塊A端和B端的懸浮間隙值、運動速度 值、懸浮電流值；
[0014] 1. 4)分別根據上一個周期懸浮模塊A端和B端的控制量信號分別估計當前周期應 當施加在懸浮模塊A端和B端的控制電壓；
[0015] 1. 5)分別利用低通濾波器對懸浮模塊A端和B端的控制電壓進行濾波得到懸浮模 塊A端和B端的平均控制電壓；
[0016] 1. 6)分別利用低通濾波器對懸浮模塊A端和B端的懸浮電流值進行濾波，得到流 經懸浮模塊A端和B端的平均懸浮電流；
[0017] 1. 7)分別根據懸浮模塊A端和B端的平均控制電壓、懸浮模塊A端和B端的平均 懸浮電流，計算出懸浮模塊A端和B端的直流電阻；
[0018] 1. 8)分別根據懸浮模塊A端和B端的控制電壓、懸浮電流、直流電阻計算懸浮模塊 A端和懸浮模塊B端的當前虛擬磁通。
[0019] 優選地，所述步驟1. 3)具體是指根據式（1)將懸浮模塊A端和B端的懸浮傳感器 組輸出的懸浮間隙傳感器信號、加速度傳感器信號、懸浮電流傳感器信號變換為懸浮模塊A 端和B端的懸浮間隙值、運動速度值、懸浮電流值；
【權利要求】
1. 一種電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於步驟包括： 1) 分別獲取電磁型常導低速磁浮列車每一個懸浮模塊A端和B端的當前懸浮間隙、當 前速度以及當前虛擬磁通； 2) 分別以懸浮模塊A端和B端的當前懸浮間隙、當前速度作為外環反饋量，結合設定懸 浮間隙計算出懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁通；分別以懸浮模塊A端和B端的當前虛 擬磁通作為內環反饋量，結合懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁通計算得到懸浮模塊A端 和B端的控制量信號，通過所述懸浮模塊A端和B端的控制量信號分別實現懸浮模塊A端 和B端的穩定懸浮。
2. 根據權利要求1所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於，所 述步驟1)的步驟包括： 1. 1)查詢電磁型常導低速磁浮列車當前的懸浮/降落指令狀態，如果當前的懸浮/降 落指令狀態為懸浮指令，則跳轉執行步驟1.2);否則跳轉執行步驟1.6); 1. 2)分別獲取懸浮模塊A端和B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙傳感器信號、加速 度傳感器信號、懸浮電流傳感器信號； 1. 3)分別將懸浮模塊A端和B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙傳感器信號、加速度 傳感器信號、懸浮電流傳感器信號變換為懸浮模塊A端和B端的懸浮間隙值、運動速度值、 懸浮電流值； 1. 4)分別根據上一個周期懸浮模塊A端和B端的控制量信號分別估計當前周期應當施 加在懸浮模塊A端和B端的控制電壓； 1. 5)分別利用低通濾波器對懸浮模塊A端和B端的控制電壓進行濾波得到懸浮模塊A端和B端的平均控制電壓； 1. 6)分別利用低通濾波器對懸浮模塊A端和B端的懸浮電流值進行濾波，得到流經懸 浮模塊A端和B端的平均懸浮電流； 1. 7)分別根據懸浮模塊A端和B端的平均控制電壓、懸浮模塊A端和B端的平均懸浮 電流，計算出懸浮模塊A端和B端的直流電阻； 1. 8)分別根據懸浮模塊A端和B端的控制電壓、懸浮電流、直流電阻計算懸浮模塊A端 和懸浮模塊B端的當前虛擬磁通。
3. 根據權利要求2所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於：所 述步驟1.3)具體是指根據式（1)將懸浮模塊A端和B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙 傳感器信號、加速度傳感器信號、懸浮電流傳感器信號變換為懸浮模塊A端和B端的懸浮間 隙值、運動速度值、懸浮電流值；
式（1)中，Di表示懸浮模塊A端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙傳感器信號，D2表示 懸浮模塊B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮間隙傳感器信號，GaPl表示懸浮模塊A端的懸浮 間隙值，Gap2表示懸浮模塊B端的懸浮間隙值；vi表示懸浮模塊A端的運動速度值，v2表示 懸浮模塊B端的運動速度值，％表示懸浮模塊A端的懸浮傳感器組輸出的加速度傳感器信 號，V2表示懸浮模塊B端的懸浮傳感器組輸出的加速度傳感器信號；ii表示懸浮模塊A端 的懸浮電流值，i2表示懸浮模塊B端的懸浮電流值，表示懸浮模塊A端的懸浮傳感器組 輸出的懸浮電流傳感器信號，12表示懸浮模塊B端的懸浮傳感器組輸出的懸浮電流傳感器 信號。
4. 根據權利要求2所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於：所 述步驟1.4)具體是指根據式（2)估計當前周期應當施加在懸浮模塊A端和B端的控制電 壓；
式（2)中，Ul表示當前周期應當施加在懸浮模塊A端的控制電壓，u2表示當前周期應當 施加在懸浮模塊B端的控制電壓，PWM_A表示上一個周期懸浮模塊A端的控制量信號，PWM_ B表示上一個周期懸浮模塊B端的控制量信號。
5. 根據權利要求2所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於：所 述步驟1. 5)中所使用的低通濾波器的表達式如式（3)所述；
式（3)中，6表示懸浮模塊A端的平均控制電壓，5表示懸浮模塊B端的平均控制電 壓，Ui(t)表示懸浮模塊A端的控制電壓，u2(t)表示懸浮模塊B端的控制電壓。
6. 根據權利要求2所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於：所 述步驟1. 6)中所使用的低通濾波器的表達式如式（4)所述；
式（4)中，^表示流經懸浮模塊A端的平均懸浮電流，I表示流經懸浮模塊B端的平均 懸浮電流，ii(T)表示懸浮模塊A端的懸浮電流值，i2(T)表示懸浮模塊B端的懸浮電流 值。
7. 根據權利要求2所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於：所 述步驟1. 7)中具體是指使用式（5)計算出懸浮模塊A端和B端的直流電阻；
式（5)中，A表示懸浮模塊A端的直流電阻，4表示懸浮模塊B端的直流電阻表示 懸浮模塊A端的平均控制電壓，％表示懸浮模塊B端的平均控制電壓，f表示流經懸浮模塊 A端的平均懸浮電流，I表示流經懸浮模塊B端的平均懸浮電流。
8. 根據權利要求2所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於：所 述步驟1.7)中具體是指使用式（6)計算懸浮模塊A端和懸浮模塊B端的當前虛擬磁通；
式（6)中，表示懸浮模塊A端的當前虛擬磁通，B2表示懸浮模塊B端的當前虛擬磁 通，N表示單電磁鐵的線圈匝數，A表示磁環導磁截面積，Ui(t)表示懸浮模塊A端在t時 刻的控制電圧，為表示懸浮模塊A端的直流電阻，ijT)表示懸浮模塊A端在t時刻的懸 浮電流值；u2(t)表示懸浮模塊B端在t時刻的控制電壓，先表示懸浮模塊B端的直流電 阻，i2(T)表示懸浮模塊B端在t時刻的懸浮電流值。
9. 根據權利要求1?8中任意一項所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法， 其特徵在於：所述步驟2)中具體是根據式（7)計算出懸浮模塊A端和B端的期望虛擬磁 通；
式（7)中，Bexpl表示懸浮模塊A端的期望虛擬磁通，Bexp2表示懸浮模塊B端的期望虛擬 磁通，分別表示模塊A端和B端的期望懸浮間隙，di表示懸浮模塊A端的當前懸浮 間隙，d2表示懸浮模塊B端的當前懸浮間隙，vi表示懸浮模塊A端的當前速度，v2表示懸浮 模塊B端的當前速度。
10. 根據權利要求9所述的電磁型常導低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特徵在於，所 述步驟2)中具體是指根據式（8)計算得到懸浮模塊A端和B端的控制量信號；
式（8)中，PWM_A表示懸浮模塊A端的控制量信號，PWM_B表示懸浮模塊B端的控制量 信號，Bexpl表示懸浮模塊A端的設定虛擬磁通，B表示懸浮模塊B端的設定虛擬磁通，B: 表示懸浮模塊A端的當前虛擬磁通，B2表示懸浮模塊B端的當前虛擬磁通。
【文檔編號】B60L13/06GK104477048SQ201410708491
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】李 傑, 李金輝, 周丹峰, 張錕, 崔鵬, 餘佩倡, 王連春 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學