一種電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電磁型常導(dǎo)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(dāng)前懸浮間隙、當(dāng)前速度以及當(dāng)前虛擬磁通；分別以懸浮模塊A端和B端的當(dāng)前懸浮間隙、當(dāng)前速度作為外環(huán)反饋量，結(jié)合設(shè)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(dāng)前虛擬磁通作為內(nèi)環(huán)反饋量，結(jié)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(xiàn)懸浮模塊A端和B端的穩(wěn)定懸浮。本發(fā)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(guān)系，克服基于電流內(nèi)環(huán)控制方法的固有缺陷，提高懸浮系統(tǒng)的跟蹤性能和魯棒性能，無需硬件傳感器，實施成本低、可靠性高。
【專利說明】一種電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁浮列車懸浮控制技術(shù)，具體涉及一種基于虛擬磁通反饋的電磁型常 導(dǎo)（Electro Magnetic Suspension，簡稱EMS)低速磁浮列車的懸浮控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電磁型常導(dǎo)（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、無污染等優(yōu)點贏得越來越多的關(guān)注。EMS型低速磁浮列車的電磁鐵與軌 道構(gòu)成列車的懸浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，必須通過反饋控制，才能實現(xiàn)列車的穩(wěn) 定懸浮。懸浮性能主要取決于懸浮控制方法。懸浮控制方法的關(guān)鍵在于設(shè)計一個懸浮控制 系統(tǒng)，由懸浮控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前懸浮系統(tǒng)的懸浮狀態(tài)，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(shè)定的間隙值，從而實現(xiàn)磁浮列車的穩(wěn)定懸 浮。
[0003] 如圖1和圖2所示，目前EMS型低速磁浮列車采用模塊化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，每節(jié)車有四 個轉(zhuǎn)向架1，每個轉(zhuǎn)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(cè)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?qū)⑺膫€懸浮電磁鐵21分為兩 組，每組包含兩個懸浮電磁鐵21，組內(nèi)的兩個懸浮電磁鐵21串聯(lián)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(xiàn)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，對于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 別用于測量懸浮模塊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 分別用于測量單電磁鐵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(dǎo)線上，用于測量單電磁鐵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(tài)（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(tài)（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(nèi)環(huán)采用電流反饋，外環(huán)采用間隙、速度以及加速度反饋，結(jié)合來自車載監(jiān)控系統(tǒng) 的懸浮/降落命令，計算出控制量，并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恒定。但是，由于在 傳統(tǒng)的懸浮系統(tǒng)設(shè)計中，懸浮控制板以快速電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，以間隙環(huán)作為外環(huán)，難以克服 懸浮力、懸浮間隙、電流三者之間的非線性耦合關(guān)系帶來的影響，導(dǎo)致懸浮系統(tǒng)的參數(shù)范圍 較小，穩(wěn)定欲度較差，跟蹤性能和魯棒性能難以有效兼顧。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)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(guān)系，克服基于電流內(nèi)環(huán)控制方法的固有缺陷，提高懸浮系統(tǒng)的跟蹤性能和 魯棒性能，無需硬件傳感器，實施成本低、可靠性高的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制 方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 一種電磁型常導(dǎo)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(dǎo)低速磁浮列車每一個懸浮模塊A端和B端的當(dāng)前懸浮間 隙、當(dāng)前速度以及當(dāng)前虛擬磁通；
[0009] 2)分別以懸浮模塊A端和B端的當(dāng)前懸浮間隙、當(dāng)前速度作為外環(huán)反饋量，結(jié)合設(shè) 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(dāng) 前虛擬磁通作為內(nèi)環(huán)反饋量，結(jié)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(xiàn)懸浮模塊A 端和B端的穩(wěn)定懸浮。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1)的步驟包括：
[0011] 1.1)查詢電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車當(dāng)前的懸浮/降落指令狀態(tài)，如果當(dāng)前的懸浮 /降落指令狀態(tài)為懸浮指令，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟1. 2);否則跳轉(zhuǎn)執(zhí)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(jù)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(dāng)前周期應(yīng) 當(dāng)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(jīng)懸浮模塊A端和B端的平均懸浮電流；
[0017] 1. 7)分別根據(jù)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(jù)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(dāng)前虛擬磁通。
[0019] 優(yōu)選地，所述步驟1. 3)具體是指根據(jù)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(quán)利要求】
1. 一種電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于步驟包括： 1) 分別獲取電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車每一個懸浮模塊A端和B端的當(dāng)前懸浮間隙、當(dāng) 前速度以及當(dāng)前虛擬磁通； 2) 分別以懸浮模塊A端和B端的當(dāng)前懸浮間隙、當(dāng)前速度作為外環(huán)反饋量，結(jié)合設(shè)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(dāng)前虛 擬磁通作為內(nèi)環(huán)反饋量，結(jié)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(xiàn)懸浮模塊A端 和B端的穩(wěn)定懸浮。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于，所 述步驟1)的步驟包括： 1. 1)查詢電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車當(dāng)前的懸浮/降落指令狀態(tài)，如果當(dāng)前的懸浮/降 落指令狀態(tài)為懸浮指令，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟1.2);否則跳轉(zhuǎn)執(zhí)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(jù)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(dāng)前周期應(yīng)當(dāng)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(jīng)懸 浮模塊A端和B端的平均懸浮電流； 1. 7)分別根據(jù)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(jù)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(dāng)前虛擬磁通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于：所 述步驟1.3)具體是指根據(jù)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(jù)權(quán)利要求2所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于：所 述步驟1.4)具體是指根據(jù)式（2)估計當(dāng)前周期應(yīng)當(dāng)施加在懸浮模塊A端和B端的控制電 壓；
式（2)中，Ul表示當(dāng)前周期應(yīng)當(dāng)施加在懸浮模塊A端的控制電壓，u2表示當(dāng)前周期應(yīng)當(dāng) 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(jù)權(quán)利要求2所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于：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(jù)權(quán)利要求2所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于：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(jīng)懸浮模塊A端的平均懸浮電流，I表示流經(jīng)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(jù)權(quán)利要求2所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于：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(jīng)懸浮模塊 A端的平均懸浮電流，I表示流經(jīng)懸浮模塊B端的平均懸浮電流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于：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(dāng)前虛擬磁通；
式（6)中，表示懸浮模塊A端的當(dāng)前虛擬磁通，B2表示懸浮模塊B端的當(dāng)前虛擬磁 通，N表示單電磁鐵的線圈匝數(shù)，A表示磁環(huán)導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1?8中任意一項所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法， 其特征在于：所述步驟2)中具體是根據(jù)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(dāng)前懸浮 間隙，d2表示懸浮模塊B端的當(dāng)前懸浮間隙，vi表示懸浮模塊A端的當(dāng)前速度，v2表示懸浮 模塊B端的當(dāng)前速度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電磁型常導(dǎo)低速磁浮列車的懸浮控制方法，其特征在于，所 述步驟2)中具體是指根據(jù)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(shè)定虛擬磁通，B表示懸浮模塊B端的設(shè)定虛擬磁通，B: 表示懸浮模塊A端的當(dāng)前虛擬磁通，B2表示懸浮模塊B端的當(dāng)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(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】李 杰, 李金輝, 周丹峰, 張錕, 崔鵬, 余佩倡, 王連春 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)