CN103825440B - 一种用于调节电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流纹波的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于调节电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流及纹波的控制方法。对传统的电磁吸力悬浮控制系统电流实现环节中悬浮斩波电路的上下两个桥臂进行开关控制，在保证电流稳态值跟随给定稳态值的同时可以实现纹波值也按照需要在一定范围内进行调节。在控制中首先根据电流给定值和反馈值计算控制需要的上下桥臂总的开通时间，然后根据给定的纹波要求计算出上下桥臂同时开通的时间，在同一个开关周期内，根据上下开关管总开通时间和同时开通时间，按照等脉宽、同开通时刻或者同关断时刻等方法分别确定上下开关管的开通和关断时刻，从而实现悬浮电磁铁稳态输出电流下的纹波大小的控制。

Description

一种用于调节电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流纹波的控制方法

技术领域

本发明涉及中低速磁浮列车电磁吸力悬浮系统的悬浮斩波器电流及纹波的控制方案。

背景技术

在磁悬浮列车等电磁吸力悬浮系统（以下简称悬浮系统）中，往往通过检测悬浮气隙的大小来计算需要的电磁铁电流，需要的电磁铁电流通过功率放大单元实现，放大的电磁铁电流提供保证悬浮系统稳定的电磁力。其中，电磁铁电流的实现在小功率的情况下采用线性放大电源，电磁铁电流输出中不含有纹波。而在大功率环节采用开关电路实现，由于开关电路工作在开关状态，电磁铁不断的处于充电和放电状态。实际的电磁铁电流在稳态时，除了期望的稳态电流还参杂有充放电过程中引起的纹波电流。

当悬浮系统处于某些静态的情况下，电流纹波可以视为系统的一种扰动。在目前的电流控制中，并不对纹波进行控制和检测，其在稳态电流下的纹波，有时具有很强的规律性，如比较固定的频率或者周期性，有时具有比较大的随机性，但其频带分布也相对比较集中。纹波扰动逐步累积能量，尤其是当纹波的频带与系统某些部分频率接近或者存在某些关系时，可能会激起悬浮系统中某些部分产生振动，进而引起系统共振。如在某些情况下，轨道系统刚度比较小时，纹波产生的扰动力与轨道系统共同作用，可能会产生车轨共振的严重问题。

在这种情况下如果根据悬浮系统的需要，对纹波进行调节，破坏纹波扰动存在的规律性；或者在悬浮控制系统中，对纹波进行反馈控制，使纹波产生的系统扰动在悬浮系统中是闭环的；或者对单点悬浮系统的纹波进行调节控制，使多点之间的扰动相互抵消，这样都可以有效的避免纹波对系统造成的不良影响。这些方法都需要悬浮斩波器，不仅对稳态电流进行控制，还需要对纹波电流进行调节；也就是说在采用开关电路产生电磁铁电流的悬浮控制系统中，不仅对悬浮稳态电流进行控制，也对纹波电流进行调节，以避免纹波产生的扰动对系统产生影响。那么，悬浮系统对于电流环节的控制量不仅有稳态电流的要求还有纹波电流的要求，即电流控制环节不仅要对稳态电流进行控制，也要对纹波电流进行调节。

在实际中，大功率电流环采用的开关电路为悬浮斩波电路，其基本结构与H型斩波电路结构相似，它有两个桥臂，由于悬浮系统中电磁铁电流单向流动，所以每一个桥臂采用一个开关管与一个二极管串联的结构，而不采用两个开关管串联的结构。每个桥臂两端连接输入电压，开关管与二极管连接处称为输出端，连接电磁铁。在两个桥臂中一个桥臂开关管在上二极管在下，称为上桥臂；另一个桥臂开关管在下二极管在上，称为下桥臂。

悬浮斩波电路具有三种工作状态：当两个开关管全部开通，即两个桥臂全部开通时，电磁铁处于正电平状态，其承受正向输入电压，电流处于最大上升率阶段，电流增加；当只有一个开关管开通，即只有一个桥臂开通时，电磁铁处于零电平状态，电流处于自然续流状态，电路减小；当两个开关管全部关断，也就是没有桥臂开通时，电磁铁处于负电平状态，其承受负向输入电压，电流处于最大下降率阶段，电流减小。

对悬浮斩波电路工作原理进行分析。假设T1和T3开关周期为T，占空比分别为d₁和d₂；U_i为输入电压，i_o为输出电流，I₀为输出稳态电流分量，Δi为输出纹波分量，电流电磁铁电感为L，电阻为R。

通过如下表1，我们可以看到在每一开关周期内，可能存在正、零和负三种电平。

表1斩波器工作状态（其中1代表开通，0代表关断）

	负电平	正电平	零电平	零电平
					T1状态	0	1	1	0
T2状态	0	1	0	1
					时间	d－1T	d12T	d10T	d20T

其中d₁₂T表示两管同时开通的时间，d₁₀T和d₂₀T分别表示T1或者T2单独开通的时间，d－₁T表示两管同时关断的时间。

其中，T1的导通时间d₁T=d₁₂T+d₁₀T，T2的导通时间d₂T=d₁₂T+d₂₀T。

在一个开关周期内有d₁₂+d₁₀+d₂₀+d_-1＝1（1）

d₁₂T时间内电流增加的量

d₁₀T+d₂₀T时间内电流减小的量

d_－1T时间内电流减小的量

当电流处于稳态的时候，电磁铁在单个开关周期内，其电流增加和电流减小是相等的，也就是在d₁₂T时间内电流增加的量等于在其他时间内电流减小的量，Δi₊＝Δi_zero+Δi_-。

通过推导可以得到电路稳态输出电流与占空比关系：

$I_0=\frac{U_i}{R}(d_1+d_2-1)---\left(2\right)$

在稳态时每一周期的电流波动值

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δi}=\frac{U_i-I_{0}R}{L}\·d_{12}T\\ =\frac{U_i-I_{0}R}{L}\·\frac{I_{0}R}{U_i}T+\frac{U_i-I_{0}R}{L}\·d_{-1}T\end{array}---\left(3\right)$

从公式（2）和公式（3）可以看到，对于悬浮斩波电路来说，系统的稳态电流输出与上下桥臂开通占空比之和减1成正比，或者说与上下桥臂开通的总时间与开关周期的差值成正比；系统稳态输出下单个开关周期纹波的大小与上下桥臂同时开通的时间成正比。

在目前的悬浮系统电流控制中，只对稳态电流进行控制，并不研究和控制纹波电流。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明是应用于电磁吸力悬浮系统中电流及纹波控制的一种方法，其目的是为了在控制悬浮系统电磁铁电流稳态值的同时，对电流中的纹波成分进行调节，以避免纹波产生的扰动使系统产生共振等不良影响。

通过背景技术中的理论分析可以知道，对于悬浮斩波电路来说，在同一周期内，上下桥臂总开通时间决定了悬浮系统的稳态电流。那么在上下桥臂总开通时间不变的情况下，调节两个桥臂的开通关断时刻，使电路上下桥臂同时开通的事件发生变化，电路工作在正电平状态的时间会发生变化，系统的纹波也会发生变化，这样就可以实现在系统稳态电流一定的情况下，对系统的纹波电流进行调节。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

一种用于调节电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流及纹波的控制方法，在由悬浮斩波电路、实际电流电压检测单元、稳态电流给定、纹波电流给定、电流控制单元、纹波控制单元和开关分配单元构成的电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流及纹波调节系统中,电流控制单元计算上下桥臂总的开通时间；纹波控制单元，计算上下桥臂同时开通的时间；开关分配单元，根据需要的上下桥臂总开通时间与同时开通时间，对每个桥臂的开关脉冲进行分配;

所述开关分配单元当纹波在调节范围内时,按照以下任意一种方法对上下桥臂开通和关断时间进行分配:

(a)等脉宽分配：按照上下桥臂开通时间相等进行分配,当纹波在调节范围内时上下桥臂开通时间均等于总开通时间的一半，某一桥臂开通时刻在开关周期零时刻，另一桥臂开通时刻等于总开通时间的一半减去同时开通时间;

(b)同开通时刻分配：按照上下桥臂同时开通进行分配，两个桥臂同时在开关周期零时刻开通，当纹波在调节范围内时，那么一个桥臂开通时间为同时开通时间，另一个桥臂开通时间为总开通时间减去同时开通时间;

(c)同关断时刻分配：按照上下桥臂同时关断进行分配，两个桥臂同时在开关周期结束时刻关断。当纹波在调节范围内时，那么一个桥臂开开通时刻为开关周期减去同时开通时间，另一个桥臂开通时刻为开关周期加同时开通时间减去总开通时间;

以此保证悬浮电磁铁稳态电流等于电流给定的情况下，在一定范围内按照纹波给定值的大小来调节纹波电流的大小，当纹波给定值超出系统调节范围时，系统优先保证稳态电流。

采用本发明的方法，当系统工作时，电流控制单元根据稳态电流给定和实际电流稳态值按照一定的反馈控制算法（比如常规的PID算法），计算悬浮斩波电路上下桥臂总的开通时间dT，用于保证电磁铁电流稳态值跟随稳态电流给定。纹波控制单元根据纹波给定和实际纹波电流计算出上下桥臂需要同时导通的时间d₁₂T。开关分配单元根据dT和d₁₂T，分配出上下桥臂的开通时间

t_1on、t_2on和关断时间t_1dn、t_2dn。

开关分配单元可以按照以下三种方法中任意一种对上下桥臂开通和关断时间进行分配。

第一种：等脉宽分配：按照上下桥臂开通时间相等进行分配。

如果0≤2d₁₂≤d≤min(1+d₁₂,2)，那么纹波在调节范围内时，一桥臂开通时间为[0,]，另一桥臂开通时间为[dT-d₁₂T]，这样上下桥臂开通时间均等于即总开通时间的一半。

如果d₁₂＜0，系统按最小纹波实现，即一桥臂开通时间为[0,]，另一桥臂开通时间为[T]。

如果d＜2d₁₂，那么纹波给定超过系统可实现最大纹波，系统按最大纹波实现，两个桥臂开通时间均为[0,]。

如果d＞1+d₁₂，那么纹波给定超过系统可实现最小纹波，系统按最小纹波实现，即一桥臂开通时间为[0,]，另一桥臂开通时间为[T]。

如果d＞2，那么不论d₁₂为何值，两桥臂开通时间均为[0,T]。

如果d＜0，那么不论d₁₂为何值，两桥臂在该周期内均不开通。

第二种：同开通时刻分配：按照两个桥臂同时在开关周期零时刻开通。

如果0≤2d₁₂≤d≤min(1+d₁₂,2)，那么纹波在调节范围内时，一桥臂开通时间为[0,d₁₂T]，另一桥臂开通时间为[0,dT-d₁₂T]。

如果d₁₂＜0，系统按最小纹波实现，即一桥臂开通时间为[0,T]，另一桥臂开通时间为[0,dT-T]。

如果d＜2d₁₂，那么纹波给定超过系统可实现最大纹波，系统按最大纹波实现，两个桥臂开通时间均为[0,]。

如果d＞1+d₁₂，那么纹波给定超过系统可实现最小纹波，系统按最小纹波实现，即一桥臂开通时间为[0,T]，另一桥臂开通时间为[0,dT-T]。

如果d＞2，那么不论d₁₂为何值，两桥臂开通时间均为[0,T]。

如果d＜0，那么不论d₁₂为何值，两桥臂在该周期内均不开通。

第三种：同关断时刻分配：按照上下两个桥臂同时在开关周期结束时刻关断。

如果0≤2d₁₂≤d≤min(1+d₁₂,2)，那么纹波在调节范围内时，一桥臂开通时间为[T-d₁₂T,T]，另一桥臂开通时间为[T+d₁₂T-dT,T]。

如果d₁₂＜0，系统按最小纹波实现，即一桥臂开通时间为[0,T]，另一桥臂开通时间为[2T-dT,T]。

如果d＜2d₁₂，那么纹波给定超过系统可实现最大纹波，系统按最大纹波实现，两个桥臂开通时间均为[T]。

如果d＞1+d₁₂，那么纹波给定超过系统可实现最小纹波，系统按最小纹波实现，即一桥臂开通时间为[0,T]，另一桥臂开通时间为[2T-dT,T]。

如果d＞2，那么不论d₁₂为何值，两桥臂开通时间均为[0,T]。

如果d＜0，那么不论d₁₂为何值，两桥臂在该周期内均不开通。

通过上述方法，可以在保证稳态电流的前提下，在系统可实现的最大纹波电流和最小纹波电流之间进行调节。

这样，本发明提出了一种在控制稳态电流的同时对纹波电流进行调节的方法。

附图说明

图1是悬浮斩波电路原理图。

图2是本发明稳态电流下纹波控制方法原理框图。

图3是本发明稳态下电流周期波形图。

图4是本发明等脉宽分配下电流波形图。

图5是本发明同开通时间分配下的电流波形图。

图6是本发明同关断时间分配下的电流波形图。

图7是本发明开关分配流程集合表达图。

具体实施方式

实施例一

采用软件方法对电流控制环节、纹波控制环节和开关分配环节进行实现。首先对悬浮系统的悬浮斩波电路输出电磁铁电流进行采样，在一个开关周期内进行20次采样，通过20个采样值，计算平均值，认为其等于单周期内的实际稳态电流，计算20个采样值中的最大最小值之差，认为其等于实际电流纹波值。电流控制环节中根据悬浮系统给出的电流给定值与实际稳态电流按照PID算法，计算出上下桥臂需要开通的总时间dT。纹波控制环节同样可以根据纹波电流给定之和实际纹波值按照PID算法，计算出上下桥臂需要同时开通的时间d₁₂T。开关分配环节根据dT,d₁₂T按照图7中任一种流程对输出上下桥臂的控制脉冲进行分配。经过驱动隔离等环节将控制脉冲对悬浮斩波电路上下桥臂进行实施。

实施例二

采用软件方法对电流控制环节、纹波控制环节和开关分配环节进行实现。首先对悬浮系统的悬浮斩波电路输出电磁铁电流进行采样，在一个开关周期内某一固定时刻对电流进行采样，该采样值认为其等于单周期内的实际稳态电流。电流控制环节中根据悬浮系统给出的电流给定值与实际稳态电流按照PID算法，计算出上下桥臂需要开通的总时间dT。纹波控制环节根据纹波电流给定按照计算出上下桥臂需要同时开通的时间d₁₂T，其中L,R为电磁铁电阻电感，Δi为给定纹波值，U_i为输入电压值，I₀为实际稳态电流值。开关分配环节根据dT,d₁₂T按照图7中任一种流程对输出上下桥臂的控制脉冲，经过驱动隔离等环节将控制脉冲对悬浮斩波电路上下桥臂进行实施。

Claims (1)

1.一种用于调节电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流及纹波的控制方法，在由悬浮斩波电路、实际电流电压检测单元、稳态电流给定、纹波电流给定、电流控制单元、纹波控制单元和开关分配单元构成的电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流及纹波调节系统中,电流控制单元计算上下桥臂总的开通时长；纹波控制单元，计算上下桥臂同时开通的时长；开关分配单元，根据需要的上下桥臂总开通时长与同时开通时长，对每个桥臂的开关脉冲进行分配；

所述开关分配单元当纹波在调节范围内时,按照以下任意一种方法对上下桥臂开通和关断时长进行分配:

(a)等脉宽分配：按照上下桥臂开通时长相等进行分配,当纹波在调节范围内时上下桥臂开通时长均等于总开通时长的一半，某一桥臂开通时刻在开关周期零时刻，另一桥臂开通时刻等于总开通时长的一半减去同时开通时长；

(b)同开通时刻分配：按照上下桥臂同时开通进行分配，两个桥臂同时在开关周期零时刻开通，当纹波在调节范围内时，那么一个桥臂开通时长为同时开通时长，另一个桥臂开通时长为总开通时长减去同时开通时长；

(c)同关断时刻分配：按照上下桥臂同时关断进行分配，两个桥臂同时在开关周期结束时刻关断,当纹波在调节范围内时，一个桥臂开通时刻为开关周期减去同时开通时长，另一个桥臂开通时刻为开关周期加同时开通时长减去总开通时长；

以此保证悬浮电磁铁稳态电流等于稳态电流给定值的情况下，在一定范围内按照纹波电流给定值的大小来调节纹波电流的大小，当纹波电流给定值超出系统调节范围时，系统优先保证稳态电流；

所述纹波在调节范围内是指满足同时开通时长加开关周期不小于总开通时长，总开通时长不小于二倍同时开通时长且同时开通时长不小于零。