CN103954845B - 一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感参数在线检测方法 - Google Patents

一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感参数在线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感在线检测方法，在电磁铁电阻值已知时，通过对悬浮电磁铁在正常工作过程中加入一个占空比为50%先开后关的脉冲宽度调制（PWM）电压，通过检测电磁铁在此PWM电压起始时刻电流I0和PWM电压结束时刻电流值I2，利用电磁铁电阻R和PWM电压半周期时间Tm，按照公式在线计算得到电磁铁电感。本发明方法提供了一种在电磁铁电阻值已知时，在不影响电磁铁在线使用的情况下，得到电磁铁电感参数的在线检测方法，可用于中低速磁浮列车电磁铁在线状态检测、参数辨识与控制。

Description

一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感参数在线检 测方法
技术领域
本发明涉及一种中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感参数在线检测方法。
背景技术
中低速磁浮列车主要采用电磁吸力悬浮，悬浮力由悬浮电磁铁提供，悬浮电磁铁通过电流与轨道之间产生电磁吸力，通过控制电磁铁电流的大小调节电磁力使得系统可以稳定在固定的悬浮气隙上。
悬浮电磁铁是悬浮系统主要部件，在实际使用中需要对其状态进行在线监测，以判断可能出现的故障以及出现故障时对故障进行分析。悬浮电磁铁在电学特性上可以等效认为电阻串联电感，电磁铁电阻和电感是反映电磁铁状态的关键参数。
电感参数是电磁铁的重要状态参数，也是判断电磁铁状态的主要依据之一。当电磁铁发生某些故障时，通过电感参数可以对故障状况进行识别。当电磁铁开路时，电磁铁电感会变成无穷大或者极大；当电磁铁短路时，电磁铁电感会变小甚至为零；当电磁铁出现匝间部分短路时，电磁铁电感会比常态值小；当电磁铁连接不稳时，电磁铁电感值会发生不稳定。所以通过对悬浮电磁铁电感参数的识别可以在线的对悬浮电磁铁的状态进行判断。此外，电磁铁电感是悬浮系统控制时使用的重要参数，是系统需要识别的重要在线参数。通过对电磁铁电感参数的识别，可以对系统控制参数进行在线调整优化控制器性能。总之，电磁铁电感参数在线识别是悬浮系统在线故障诊断、系统参数在线识别以及控制参数在线调整的重要依据。
对悬浮电磁铁电感参数在线进行检测，存在一定的困难，这种困难主要在于悬浮系统控制是一种实时控制系统，检测电压加入困难。中低速磁浮列车采用电磁吸力悬浮系统，这种悬浮系统是一种本质不稳定系统，系统通过实时调节电磁铁电流的大小来实现系统稳定悬浮。悬浮系统根据电磁铁的气隙值和加速度值实时计算出电磁铁需要电流（目标电流）大小，电磁铁电流控制根据电磁铁目标电流和实际电流产生控制脉冲，控制脉冲控制悬浮斩波电路中开关管的开通和关断对电磁铁电流实现调节，使实际电流跟随目标电流。在中低速磁浮列车中电磁铁电流的大小通过悬浮斩波电路实现。由于开关管工作频率有限，在实际工作时采用固定的开关频率，其控制信号一般采用脉冲宽度调制信号（PWM）信号，通过调节PWM信号的占空比，调节开关管在开关周期内的导通时间来调节电流。悬浮斩波电路在PWM信号控制下对电磁铁产生的电压为PWM电压。电磁铁受PWM电压控制，PWM电压需要实时按照控制规律改变，使得对电磁铁施加检测电压并检测相应的电流，存在一定的困难。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电阻参数在线检测方法，用于中低速磁浮列车悬浮电磁铁的在线监测以及参数辨识和控制，并使之具有监测迅速准确，对系统扰动小的特点。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感在线检测方法，在电磁铁电阻值已知时对电磁铁电感进行在线检测，包括以下步骤，(a)在悬浮电磁铁正常工作过程中加入一个占空比为50%先开后关的脉冲宽度调制PWM电压作为检测电压，检测电压前半周期为正电压，后半周期为负电压；(b)在加入PWM检测电压周期中，检测电磁铁在此PWM电压起始时刻电流I0和PWM电压结束时刻电流值I2；利用电磁铁电阻R和PWM电压半周期时间Tm，按照公式在线计算得到电磁铁电感并输送至在线故障诊断及调整后续执行单元。
本发明通过在电磁铁正常工作时对电磁铁电压插入一个占空比为50%的PWM电压，通过检测电磁铁在PWM电压下的充放电过程中，电磁铁在初始时刻和结束时刻的电流变化量，结合电磁铁电流、电阻和开通时间，计算电磁铁电感的一种方法，这种方法可以在电磁铁工作时在线对电磁铁电感参数进行检测。这种方法的特点在于在悬浮电磁铁正常工作中加入50%占空比的PWM电压作为检测电压，电磁铁在检测周期内受到的伏秒总值接近为零，检测电压基本不对系统产生扰动，同时利用充放电时间电流变化量对电磁铁电感进行计算。本发明方法可以应用于中低速磁浮列车电磁铁在线状态检测、参数辨识与控制等。
在中低速磁浮列车中，悬浮电磁铁电流、电压比较高，通常采用悬浮斩波电路对电磁铁电流进行控制。悬浮斩波电路在工作在开关状态，在工作中，当开关管开通时，输入电源通过开关管对悬浮电磁铁进行充电，悬浮电磁铁电流增加；当开关管关断时，悬浮电磁铁通过二极管向输入电源放电，悬浮电磁铁电流减小。通过不停的调节，开关管的开通和关断，从而实现电流的调节。
根据电路原理，假设输入电压为Ui，电磁铁电感和电阻L,R，电磁铁输出电流为io，定义时间常数为τ＝L/R。
当开关管T1、T3导通时，根据电路有求解可以得到，电流其中I0为初始时刻电流，开通时刻为时间零点。对电流方程按照泰勒级数展开，忽略高次项，可以得到电感电流在开关管开通时间内电流值为该表达式可以认为是电感在Ui-IoR电压下充电，对电磁铁来说，单开关周期内纹波电流远小于恒定值，可认为单开关周期内电流为I0。
开关管T1、T3关断时，负载向电源放电，电磁铁两端为反向电源电压，电磁铁放电，电流减小，根据电路有求解可得其中I1为关断初始时刻电流，关断时刻为时间零点。对电流方程进行展开，忽略高次项，可以得到电感电流在开关管关断时间内，电流值为该表达式可以认为是电感在Ui+I1R电压下放电。
当对电磁铁施加占空比50%先开后关的PWM检测电压时，假设开通时间为TM。在开关管关断初始时刻，电流在关断周期内电流值为 i o ( t ) = I o + U i - I o R L T M + - U i - I o R - U i - I o R L T on R L t . PWM检测电压结束时，电流值为考虑到，正常工作时恒定电流远远大于纹波电流，即 I o > > U i - I o R L , 那么 I 2 = I o - 2 I o R L T M .
根据上面的公式，可以得到，当PWM检测电压结束时刻电磁铁电流与PWM检测电压开始时刻电流值相比，电流下降量其中R,TM为系统已知量，Io为系统可测量，那么通过测量I0、I2，可以得到系统电感值 L = 2 I o R I o - I 2 T M .
通过上述分析，可以看到，在中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感在线检测中，可以通过在悬浮电磁铁正常工作过程中施加占空比为50%先开后关的PWM控制电压，通过检测电流充放电过程中初始时刻和结束时刻电流I0、I2，按照公式即可计算系统电感值。
该在线检测方法，通过对悬浮电磁铁施加扰动小的占空比为50%的PWM控制电压对电磁铁进行充放电，通过检测电流充放电过程中电流变化值，利用电磁铁电阻和充电时间计算系统电感值。这种方法首先是对悬浮电磁铁进行在线检测，其次是采用了占空比为50%先开后关的PWM控制电压，最后是通过检测电压中电流的变化值对电磁铁电感进行计算。这种方法适用于中低速磁浮列车悬浮电磁铁的在线监测以及参数辨识和控制等，具有监测迅速准确，对系统扰动小等特点。
附图说明
图1是悬浮斩波电路图（图1a）及其工作波形图（图1b）。
图2是电阻参数检测时充放电时间和检测时间的原理图。
图3是实施方式中的系统原理图。
具体实施方式
在悬浮系统正常工作时，按照时间间隔1s，数字电路控制装置对悬浮电磁铁给出占空比为50%的PWM检测电压。
在PWM脉冲输出初始时刻，数字电路控制装置采用AD检测电路对系统初始电流检测值进行采样，同时开始电流值I0。在检测电压工作结束时，采用AD采样芯片对电磁铁电流进行采样，记录电流值I2。
根据电磁铁电阻值R和PWM检测电压半周期时间TM，根据公式计算电磁铁电感。

Claims (1)

1.一种基于电阻的中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感在线检测方法，在电磁铁电阻值已知时对电磁铁电感进行在线检测，包括以下步骤，(a)在悬浮电磁铁正常工作过程中加入一个占空比为50％先开后关的脉冲宽度调制的PWM电压作为检测电压，检测电压前半周期为正电压，后半周期为负电压；(b)在加入检测电压周期中，检测电磁铁在此检测电压起始时刻电流I0和检测电压结束时刻电流值I2；利用电磁铁电阻R和检测电压半周期时间TM，按照公式在线计算得到电磁铁电感并输送至在线故障诊断及调整后续执行单元。
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