一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)及控制方法與流程

本發(fā)明涉及軌道交通設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

中低速磁懸浮列車是一種理想的新型軌道交通工具，與輪軌列車相比，其本質(zhì)的區(qū)別在于它具有懸浮控制系統(tǒng)，能夠脫離軌道運(yùn)行。在懸浮機(jī)理上，磁浮列車懸浮系統(tǒng)可以分為電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)和電力懸浮系統(tǒng)(EDS)。由于電磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，而且技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，因此現(xiàn)在大多采用電磁懸浮系統(tǒng)。采用純電磁懸浮的磁浮列車，其懸浮斬波器工作在高壓、大電流的高頻開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)損耗較大，容易造成IGBT損壞，懸浮電磁鐵的功耗也很大，發(fā)熱較嚴(yán)重，由此出現(xiàn)了電磁和永磁混合的懸浮方案，使得流過懸浮電磁鐵的電流減少，損耗降低，但永磁體制造工藝復(fù)雜、成本較高，而且長久使用后會出現(xiàn)失磁或磁場不穩(wěn)定的情況。因此，提高電磁懸浮系統(tǒng)的性能，降低功耗、發(fā)熱量和生產(chǎn)成本就顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)及控制方法，能夠提高電磁懸浮系統(tǒng)的性能，降低功耗、發(fā)熱量和生產(chǎn)成本。

本發(fā)明提供的一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，包括懸浮電磁鐵，所述懸浮電磁鐵上同時繞設(shè)有第一繞組和第二繞組，所述第一繞組與恒流源連接并作用于所述懸浮電磁鐵上產(chǎn)生恒定磁場，所述第二繞組與懸浮控制器連接并在所述懸浮控制器提供的可變控制電流下作用于所述懸浮電磁鐵產(chǎn)生可變磁場。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中，所述第一繞組和所述第二繞組中的電流環(huán)繞方向相同，用于在所述懸浮電磁鐵中產(chǎn)生極性一致的磁場。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中，所述恒流源同時連接每個懸浮架上的四個懸浮電磁鐵。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中，所述懸浮控制器包括采集部件、數(shù)字信號處理器、硬件電流環(huán)和第一功率驅(qū)動電路，其中，所述采集部件用于采集氣隙數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、電流信號和電壓信號，所述數(shù)字信號處理器用于獲得所述氣隙數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、電流信號和電壓信號并利用控制算法進(jìn)行運(yùn)算，得到輸出控制量，所述硬件電流環(huán)用于比較所述輸出控制量和所述電流信號，得到所述第一功率驅(qū)動電路所需的PWM波，所述第一功率驅(qū)動電路用于利用所述PWM波向所述第二繞組輸出可變控制電流。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中，所述恒流源包括第二數(shù)字信號處理器和第二功率驅(qū)動電路，所述第二數(shù)字信號處理器產(chǎn)生固定占空比的PWM波并傳輸至所述第二功率驅(qū)動電路，所述第二功率驅(qū)動電路輸出恒定電流至所述第一繞組。

本發(fā)明提供的一種磁浮列車懸浮控制方法，包括：

對設(shè)置于懸浮電磁鐵上的第一繞組通入恒定電流，產(chǎn)生恒定磁場；

對設(shè)置于所述懸浮電磁鐵上的第二繞組通入可變控制電流，產(chǎn)生可變磁場；

將所述恒定磁場和所述可變磁場進(jìn)行疊加，對所述懸浮電磁鐵的浮力進(jìn)行控制。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制方法中，所述恒定電流和所述可變控制電流在所述懸浮電磁鐵上的環(huán)繞方向相同。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制方法中，所述對設(shè)置于懸浮電磁鐵上的第一繞組通入恒定電流之前，還包括：

利用所需的平衡點(diǎn)電流確定所述恒定電流的大小。

優(yōu)選的，在上述磁浮列車懸浮控制方法中，在所述對設(shè)置于所述懸浮電磁鐵上的第二繞組通入可變控制電流之前，還包括：

利用采集到的氣隙數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、電流信號和電壓信號，確定所述可變控制電流的大小。

通過上述描述可知，本發(fā)明提供的上述磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)和方法，由于該系統(tǒng)包括懸浮電磁鐵，所述懸浮電磁鐵上同時繞設(shè)有第一繞組和第二繞組，所述第一繞組與恒流源連接并作用于所述懸浮電磁鐵上產(chǎn)生恒定磁場，所述第二繞組與懸浮控制器連接并在所述懸浮控制器提供的可變控制電流下作用于所述懸浮電磁鐵產(chǎn)生可變磁場，因此避免了大電流開關(guān)的損耗，能夠提高電磁懸浮系統(tǒng)的性能，降低功耗、發(fā)熱量和生產(chǎn)成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請實(shí)施例提供的第一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的示意圖；

圖2為每個恒流源連接四個第一繞組的示意圖；

圖3為懸浮控制器的組成示意圖；

圖4為恒流源的組成示意圖；

圖5為本申請實(shí)施例提供的第一種磁浮列車懸浮控制方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心思想在于提供一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，能夠提高電磁懸浮系統(tǒng)的性能，降低功耗、發(fā)熱量和生產(chǎn)成本。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本申請實(shí)施例提供的第一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)如圖1所示，圖1為本申請實(shí)施例提供的第一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括懸浮電磁鐵1，所述懸浮電磁鐵1上同時繞設(shè)有第一繞組2和第二繞組3，所述第一繞組2與恒流源連接并作用于所述懸浮電磁鐵1上產(chǎn)生恒定磁場，所述第二繞組3與懸浮控制器連接并在所述懸浮控制器提供的可變控制電流下作用于所述懸浮電磁鐵1產(chǎn)生可變磁場。

本實(shí)施例采用帶恒流源的電磁鐵繞組來提供恒定磁場，取代電磁和永磁混合懸浮系統(tǒng)中的永磁體，從而降低成本。

需要說明的是，中低速磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的控制用電流如下：i^*＝i₀+k_p(s-s₀)+k_i∫(s-s₀)+k_ds’，其中s為電磁鐵的實(shí)際氣隙，i₀為平衡點(diǎn)電流，s₀為期望氣隙，s'為速度信號，可由氣隙信號微分或加速度信號積分得到，k_p、k_i、k_d為PID系數(shù)，通過不斷比較s和s₀，運(yùn)算得到期望電流i^*。由該控制方法可以看出，i₀為平衡點(diǎn)電流，為恒定的常數(shù)值，因此運(yùn)算得到的期望電流中存在一個直流分量，此直流分量可由上述恒流源控制第一繞組來提供。

上述第一繞組在初始時可調(diào)節(jié)電流大小，靜浮時為恒定不變的電流以提供恒定磁場，而第二繞組根據(jù)外部條件變化為可變的控制電流，提供可變磁場。由于電磁懸浮時直流分量可以由懸浮斬波器輸出固定的開關(guān)頻率得到，開關(guān)損耗較小，不會出現(xiàn)電流大幅度調(diào)節(jié)的情況，而疊加的交流分量需調(diào)節(jié)的控制電流較小，功耗也較小，因此懸浮電磁鐵的控制電流可以由固定開關(guān)頻率的直流分量和電流較小的交流分量組成，這樣可顯著降低懸浮斬波器的開關(guān)損耗和懸浮電磁鐵的發(fā)熱，提高系統(tǒng)的可靠性。

通過上述描述可知，本申請實(shí)施例提供的上述第一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，由于包括懸浮電磁鐵，所述懸浮電磁鐵上同時繞設(shè)有第一繞組和第二繞組，所述第一繞組與恒流源連接并作用于所述懸浮電磁鐵上產(chǎn)生恒定磁場，所述第二繞組與懸浮控制器連接并在所述懸浮控制器提供的可變控制電流下作用于所述懸浮電磁鐵產(chǎn)生可變磁場，因此避免了大電流開關(guān)的損耗，能夠提高電磁懸浮系統(tǒng)的性能，降低功耗、發(fā)熱量和生產(chǎn)成本。

本申請實(shí)施例提供的第二種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，是在上述第一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述第一繞組和所述第二繞組中的電流環(huán)繞方向相同，用于在所述懸浮電磁鐵中產(chǎn)生極性一致的磁場。

繼續(xù)參考圖1，對于第一繞組，利用右手定則可知其在懸浮電磁鐵中產(chǎn)生的磁場如虛線上的箭頭所示，對于第二繞組，同樣可知其在懸浮電磁鐵中產(chǎn)生的磁場也如虛線上的箭頭所示，二者方向相同，能夠更方便控制。

本申請實(shí)施例提供的第三種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，是在上述第一種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

如圖2所示，圖2為每個恒流源連接四個第一繞組的示意圖，所述恒流源201同時連接每個懸浮架上的四個懸浮電磁鐵，具體的是連接每個懸浮電磁鐵的第一繞組202，而每個第二繞組204連接至與其對應(yīng)的一個懸浮控制器203。這里以一個懸浮架上的四個懸浮控制點(diǎn)為一個單元，由一個專門單獨(dú)的恒流源同時為四個電磁鐵的第一繞組提供恒定電流，產(chǎn)生恒定磁場，能夠進(jìn)一步降低元器件和控制器的功耗。

本申請實(shí)施例提供的第四種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，是在上述第一種至第三種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中任一種的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

如圖3所示，圖3為懸浮控制器的組成示意圖，所述懸浮控制器包括采集部件301、數(shù)字信號處理器302、硬件電流環(huán)303和第一功率驅(qū)動電路304，其中，所述采集部件301用于采集氣隙數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、電流信號和電壓信號，所述數(shù)字信號處理器302用于獲得所述氣隙數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、電流信號和電壓信號并利用控制算法進(jìn)行運(yùn)算，得到輸出控制量，所述硬件電流環(huán)303用于比較所述輸出控制量和所述電流信號，得到所述第一功率驅(qū)動電路304所需的PWM波，所述第一功率驅(qū)動電路304用于利用所述PWM波向所述第二繞組305輸出可變控制電流。

需要說明的是，該懸浮控制器的核心芯片可以為數(shù)字信號處理器芯片DSP(TMS320F2812)，并由DSP輸出控制量驅(qū)動斬波器，同時為了保證懸浮控制系統(tǒng)的控制性能并減少運(yùn)算延遲，控制電路中采用兩片DSP分工協(xié)作的方式，一片DSP負(fù)責(zé)氣隙、加速度、電流和電壓信號的采集，一片DSP負(fù)責(zé)控制算法的運(yùn)算并輸出控制量，二者之間采用雙口RAM進(jìn)行通訊。

本申請實(shí)施例提供的第五種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)，是在上述第四種磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

參考圖4，圖4為恒流源的組成示意圖，所述恒流源包括第二數(shù)字信號處理器401和第二功率驅(qū)動電路402，所述第二數(shù)字信號處理器401產(chǎn)生固定占空比的PWM波并傳輸至所述第二功率驅(qū)動電路402，所述第二功率驅(qū)動電路402輸出恒定電流至所述第一繞組403。

需要說明的是，該核心芯片也為數(shù)字信號處理器芯片DSP(TMS320F2812)，但該控制器不需要采集傳感器信號和進(jìn)行控制量運(yùn)算，只需由DSP芯片的內(nèi)部事件管理器中的定時器產(chǎn)生固定占空比的PWM波。

本申請實(shí)施例提供的第一種磁浮列車懸浮控制方法如圖5所示，圖5為本申請實(shí)施例提供的第一種磁浮列車懸浮控制方法的示意圖，該方法包括如下步驟：

S1：對設(shè)置于懸浮電磁鐵上的第一繞組通入恒定電流，產(chǎn)生恒定磁場；

S2：對設(shè)置于所述懸浮電磁鐵上的第二繞組通入可變控制電流，產(chǎn)生可變磁場；

S3：將所述恒定磁場和所述可變磁場進(jìn)行疊加，對所述懸浮電磁鐵的浮力進(jìn)行控制。

需要說明的是，第一繞組在初始時可調(diào)節(jié)電流大小，靜浮時為恒定不變的電流以提供恒定磁場，而第二繞組根據(jù)外部條件變化為可變的控制電流，提供可變磁場。由于電磁懸浮時直流分量可以由懸浮斬波器輸出固定的開關(guān)頻率得到，開關(guān)損耗較小，不會出現(xiàn)電流大幅度調(diào)節(jié)的情況，而疊加的交流分量需調(diào)節(jié)的控制電流較小，功耗也較小，因此懸浮電磁鐵的控制電流可以由固定開關(guān)頻率的直流分量和電流較小的交流分量組成，這樣可顯著降低懸浮斬波器的開關(guān)損耗和懸浮電磁鐵的發(fā)熱，提高系統(tǒng)的可靠性。

本申請實(shí)施例提供的第二種磁浮列車懸浮控制方法，是在上述第一種磁浮列車懸浮控制方法的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述恒定電流和所述可變控制電流在所述懸浮電磁鐵上的環(huán)繞方向相同，這樣就能夠更加方便控制。

本申請實(shí)施例提供的第三種磁浮列車懸浮控制方法，是在上述第一種磁浮列車懸浮控制方法的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述對設(shè)置于懸浮電磁鐵上的第一繞組通入恒定電流之前，還包括：

利用所需的平衡點(diǎn)電流確定所述恒定電流的大小。

需要說明的是，中低速磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)的控制用電流為：i^*＝i₀+k_p(s-s₀)+k_i∫(s-s₀)+k_ds’，其中s為電磁鐵的實(shí)際氣隙，i₀為平衡點(diǎn)電流，s₀為期望氣隙，s'為速度信號，可由氣隙信號微分或加速度信號積分得到，k_p、k_i、k_d為PID系數(shù)，通過不斷比較s和s₀，運(yùn)算得到期望電流i^*。由該控制方法可以看出，i₀為平衡點(diǎn)電流，為恒定的常數(shù)值，因此運(yùn)算得到的期望電流中存在一個直流分量，此直流分量可由恒流源提供。

本申請實(shí)施例提供的第四種磁浮列車懸浮控制方法，是在上述第一種至第三種磁浮列車懸浮控制方法中任一種的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

在所述對設(shè)置于所述懸浮電磁鐵上的第二繞組通入可變控制電流之前，還包括：

利用采集到的氣隙數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、電流信號和電壓信號，確定所述可變控制電流的大小。這些種類的數(shù)據(jù)都是與磁浮列車的工作狀態(tài)相關(guān)的，根據(jù)采集到的這些數(shù)據(jù)來確定磁浮列車的狀態(tài)，并獲得相應(yīng)的可變控制電流，從而實(shí)現(xiàn)對磁浮列車的精確調(diào)整。

綜上所述，上述磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)和方法，避免了純電磁懸浮中低速磁浮列車的懸浮電磁鐵在穩(wěn)定懸浮時懸浮斬波器電流較大、功耗大，電磁鐵發(fā)熱嚴(yán)重的問題，也解決了電磁和永磁混合懸浮電磁鐵中永磁體制造工藝復(fù)雜、成本較高，長久使用后會出現(xiàn)失磁、磁場不穩(wěn)定的情況，且電磁鐵控制電流可控。

對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。