一种磁浮列车悬浮控制系统及控制方法与流程

本发明涉及轨道交通设备技术领域，特别是涉及一种磁浮列车悬浮控制系统及控制方法。

背景技术：

中低速磁悬浮列车是一种理想的新型轨道交通工具，与轮轨列车相比，其本质的区别在于它具有悬浮控制系统，能够脱离轨道运行。在悬浮机理上，磁浮列车悬浮系统可以分为电磁悬浮系统(EMS)和电力悬浮系统(EDS)。由于电磁悬浮系统结构比较简单，而且技术上已经相当成熟，因此现在大多采用电磁悬浮系统。采用纯电磁悬浮的磁浮列车，其悬浮斩波器工作在高压、大电流的高频开关状态下，开关损耗较大，容易造成IGBT损坏，悬浮电磁铁的功耗也很大，发热较严重，由此出现了电磁和永磁混合的悬浮方案，使得流过悬浮电磁铁的电流减少，损耗降低，但永磁体制造工艺复杂、成本较高，而且长久使用后会出现失磁或磁场不稳定的情况。因此，提高电磁悬浮系统的性能，降低功耗、发热量和生产成本就显得尤为重要。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种磁浮列车悬浮控制系统及控制方法，能够提高电磁悬浮系统的性能，降低功耗、发热量和生产成本。

本发明提供的一种磁浮列车悬浮控制系统，包括悬浮电磁铁，所述悬浮电磁铁上同时绕设有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组与恒流源连接并作用于所述悬浮电磁铁上产生恒定磁场，所述第二绕组与悬浮控制器连接并在所述悬浮控制器提供的可变控制电流下作用于所述悬浮电磁铁产生可变磁场。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制系统中，所述第一绕组和所述第二绕组中的电流环绕方向相同，用于在所述悬浮电磁铁中产生极性一致的磁场。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制系统中，所述恒流源同时连接每个悬浮架上的四个悬浮电磁铁。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制系统中，所述悬浮控制器包括采集部件、数字信号处理器、硬件电流环和第一功率驱动电路，其中，所述采集部件用于采集气隙数据、加速度数据、电流信号和电压信号，所述数字信号处理器用于获得所述气隙数据、加速度数据、电流信号和电压信号并利用控制算法进行运算，得到输出控制量，所述硬件电流环用于比较所述输出控制量和所述电流信号，得到所述第一功率驱动电路所需的PWM波，所述第一功率驱动电路用于利用所述PWM波向所述第二绕组输出可变控制电流。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制系统中，所述恒流源包括第二数字信号处理器和第二功率驱动电路，所述第二数字信号处理器产生固定占空比的PWM波并传输至所述第二功率驱动电路，所述第二功率驱动电路输出恒定电流至所述第一绕组。

本发明提供的一种磁浮列车悬浮控制方法，包括：

对设置于悬浮电磁铁上的第一绕组通入恒定电流，产生恒定磁场；

对设置于所述悬浮电磁铁上的第二绕组通入可变控制电流，产生可变磁场；

将所述恒定磁场和所述可变磁场进行叠加，对所述悬浮电磁铁的浮力进行控制。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制方法中，所述恒定电流和所述可变控制电流在所述悬浮电磁铁上的环绕方向相同。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制方法中，所述对设置于悬浮电磁铁上的第一绕组通入恒定电流之前，还包括：

利用所需的平衡点电流确定所述恒定电流的大小。

优选的，在上述磁浮列车悬浮控制方法中，在所述对设置于所述悬浮电磁铁上的第二绕组通入可变控制电流之前，还包括：

利用采集到的气隙数据、加速度数据、电流信号和电压信号，确定所述可变控制电流的大小。

通过上述描述可知，本发明提供的上述磁浮列车悬浮控制系统和方法，由于该系统包括悬浮电磁铁，所述悬浮电磁铁上同时绕设有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组与恒流源连接并作用于所述悬浮电磁铁上产生恒定磁场，所述第二绕组与悬浮控制器连接并在所述悬浮控制器提供的可变控制电流下作用于所述悬浮电磁铁产生可变磁场，因此避免了大电流开关的损耗，能够提高电磁悬浮系统的性能，降低功耗、发热量和生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种磁浮列车悬浮控制系统的示意图；

图2为每个恒流源连接四个第一绕组的示意图；

图3为悬浮控制器的组成示意图；

图4为恒流源的组成示意图；

图5为本申请实施例提供的第一种磁浮列车悬浮控制方法的示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种磁浮列车悬浮控制系统，能够提高电磁悬浮系统的性能，降低功耗、发热量和生产成本。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的第一种磁浮列车悬浮控制系统如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种磁浮列车悬浮控制系统的示意图。该系统包括悬浮电磁铁1，所述悬浮电磁铁1上同时绕设有第一绕组2和第二绕组3，所述第一绕组2与恒流源连接并作用于所述悬浮电磁铁1上产生恒定磁场，所述第二绕组3与悬浮控制器连接并在所述悬浮控制器提供的可变控制电流下作用于所述悬浮电磁铁1产生可变磁场。

本实施例采用带恒流源的电磁铁绕组来提供恒定磁场，取代电磁和永磁混合悬浮系统中的永磁体，从而降低成本。

需要说明的是，中低速磁浮列车悬浮控制系统的控制用电流如下：i^*＝i₀+k_p(s-s₀)+k_i∫(s-s₀)+k_ds’，其中s为电磁铁的实际气隙，i₀为平衡点电流，s₀为期望气隙，s'为速度信号，可由气隙信号微分或加速度信号积分得到，k_p、k_i、k_d为PID系数，通过不断比较s和s₀，运算得到期望电流i^*。由该控制方法可以看出，i₀为平衡点电流，为恒定的常数值，因此运算得到的期望电流中存在一个直流分量，此直流分量可由上述恒流源控制第一绕组来提供。

上述第一绕组在初始时可调节电流大小，静浮时为恒定不变的电流以提供恒定磁场，而第二绕组根据外部条件变化为可变的控制电流，提供可变磁场。由于电磁悬浮时直流分量可以由悬浮斩波器输出固定的开关频率得到，开关损耗较小，不会出现电流大幅度调节的情况，而叠加的交流分量需调节的控制电流较小，功耗也较小，因此悬浮电磁铁的控制电流可以由固定开关频率的直流分量和电流较小的交流分量组成，这样可显著降低悬浮斩波器的开关损耗和悬浮电磁铁的发热，提高系统的可靠性。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种磁浮列车悬浮控制系统，由于包括悬浮电磁铁，所述悬浮电磁铁上同时绕设有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组与恒流源连接并作用于所述悬浮电磁铁上产生恒定磁场，所述第二绕组与悬浮控制器连接并在所述悬浮控制器提供的可变控制电流下作用于所述悬浮电磁铁产生可变磁场，因此避免了大电流开关的损耗，能够提高电磁悬浮系统的性能，降低功耗、发热量和生产成本。

本申请实施例提供的第二种磁浮列车悬浮控制系统，是在上述第一种磁浮列车悬浮控制系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述第一绕组和所述第二绕组中的电流环绕方向相同，用于在所述悬浮电磁铁中产生极性一致的磁场。

继续参考图1，对于第一绕组，利用右手定则可知其在悬浮电磁铁中产生的磁场如虚线上的箭头所示，对于第二绕组，同样可知其在悬浮电磁铁中产生的磁场也如虚线上的箭头所示，二者方向相同，能够更方便控制。

本申请实施例提供的第三种磁浮列车悬浮控制系统，是在上述第一种磁浮列车悬浮控制系统的基础上，还包括如下技术特征：

如图2所示，图2为每个恒流源连接四个第一绕组的示意图，所述恒流源201同时连接每个悬浮架上的四个悬浮电磁铁，具体的是连接每个悬浮电磁铁的第一绕组202，而每个第二绕组204连接至与其对应的一个悬浮控制器203。这里以一个悬浮架上的四个悬浮控制点为一个单元，由一个专门单独的恒流源同时为四个电磁铁的第一绕组提供恒定电流，产生恒定磁场，能够进一步降低元器件和控制器的功耗。

本申请实施例提供的第四种磁浮列车悬浮控制系统，是在上述第一种至第三种磁浮列车悬浮控制系统中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

如图3所示，图3为悬浮控制器的组成示意图，所述悬浮控制器包括采集部件301、数字信号处理器302、硬件电流环303和第一功率驱动电路304，其中，所述采集部件301用于采集气隙数据、加速度数据、电流信号和电压信号，所述数字信号处理器302用于获得所述气隙数据、加速度数据、电流信号和电压信号并利用控制算法进行运算，得到输出控制量，所述硬件电流环303用于比较所述输出控制量和所述电流信号，得到所述第一功率驱动电路304所需的PWM波，所述第一功率驱动电路304用于利用所述PWM波向所述第二绕组305输出可变控制电流。

需要说明的是，该悬浮控制器的核心芯片可以为数字信号处理器芯片DSP(TMS320F2812)，并由DSP输出控制量驱动斩波器，同时为了保证悬浮控制系统的控制性能并减少运算延迟，控制电路中采用两片DSP分工协作的方式，一片DSP负责气隙、加速度、电流和电压信号的采集，一片DSP负责控制算法的运算并输出控制量，二者之间采用双口RAM进行通讯。

本申请实施例提供的第五种磁浮列车悬浮控制系统，是在上述第四种磁浮列车悬浮控制系统的基础上，还包括如下技术特征：

参考图4，图4为恒流源的组成示意图，所述恒流源包括第二数字信号处理器401和第二功率驱动电路402，所述第二数字信号处理器401产生固定占空比的PWM波并传输至所述第二功率驱动电路402，所述第二功率驱动电路402输出恒定电流至所述第一绕组403。

需要说明的是，该核心芯片也为数字信号处理器芯片DSP(TMS320F2812)，但该控制器不需要采集传感器信号和进行控制量运算，只需由DSP芯片的内部事件管理器中的定时器产生固定占空比的PWM波。

本申请实施例提供的第一种磁浮列车悬浮控制方法如图5所示，图5为本申请实施例提供的第一种磁浮列车悬浮控制方法的示意图，该方法包括如下步骤：

S1：对设置于悬浮电磁铁上的第一绕组通入恒定电流，产生恒定磁场；

S2：对设置于所述悬浮电磁铁上的第二绕组通入可变控制电流，产生可变磁场；

S3：将所述恒定磁场和所述可变磁场进行叠加，对所述悬浮电磁铁的浮力进行控制。

需要说明的是，第一绕组在初始时可调节电流大小，静浮时为恒定不变的电流以提供恒定磁场，而第二绕组根据外部条件变化为可变的控制电流，提供可变磁场。由于电磁悬浮时直流分量可以由悬浮斩波器输出固定的开关频率得到，开关损耗较小，不会出现电流大幅度调节的情况，而叠加的交流分量需调节的控制电流较小，功耗也较小，因此悬浮电磁铁的控制电流可以由固定开关频率的直流分量和电流较小的交流分量组成，这样可显著降低悬浮斩波器的开关损耗和悬浮电磁铁的发热，提高系统的可靠性。

本申请实施例提供的第二种磁浮列车悬浮控制方法，是在上述第一种磁浮列车悬浮控制方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述恒定电流和所述可变控制电流在所述悬浮电磁铁上的环绕方向相同，这样就能够更加方便控制。

本申请实施例提供的第三种磁浮列车悬浮控制方法，是在上述第一种磁浮列车悬浮控制方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述对设置于悬浮电磁铁上的第一绕组通入恒定电流之前，还包括：

利用所需的平衡点电流确定所述恒定电流的大小。

需要说明的是，中低速磁浮列车悬浮控制系统的控制用电流为：i^*＝i₀+k_p(s-s₀)+k_i∫(s-s₀)+k_ds’，其中s为电磁铁的实际气隙，i₀为平衡点电流，s₀为期望气隙，s'为速度信号，可由气隙信号微分或加速度信号积分得到，k_p、k_i、k_d为PID系数，通过不断比较s和s₀，运算得到期望电流i^*。由该控制方法可以看出，i₀为平衡点电流，为恒定的常数值，因此运算得到的期望电流中存在一个直流分量，此直流分量可由恒流源提供。

本申请实施例提供的第四种磁浮列车悬浮控制方法，是在上述第一种至第三种磁浮列车悬浮控制方法中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

在所述对设置于所述悬浮电磁铁上的第二绕组通入可变控制电流之前，还包括：

利用采集到的气隙数据、加速度数据、电流信号和电压信号，确定所述可变控制电流的大小。这些种类的数据都是与磁浮列车的工作状态相关的，根据采集到的这些数据来确定磁浮列车的状态，并获得相应的可变控制电流，从而实现对磁浮列车的精确调整。

综上所述，上述磁浮列车悬浮控制系统和方法，避免了纯电磁悬浮中低速磁浮列车的悬浮电磁铁在稳定悬浮时悬浮斩波器电流较大、功耗大，电磁铁发热严重的问题，也解决了电磁和永磁混合悬浮电磁铁中永磁体制造工艺复杂、成本较高，长久使用后会出现失磁、磁场不稳定的情况，且电磁铁控制电流可控。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。