CN103991463A - 一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法。在一个沿着轨道运动的运动装置端部安装两个气隙传感器，通过运动装置的速度积分得到轨道坐标值，通过对前后传感器的差值除前后传感器的距离乘以运动速度得到的结果进行积分，得到轨道的不平顺值。同一时间的轨道坐标和同一时间下的轨道不平顺值就构成了轨道的不平顺曲线，从而得到不同位置下的轨道不平顺值。通过减小传感器距离与运动装置长度比值和运动装置可上下运动气隙与运动装置长度比值或通过检测运动装置的转动对检测值进行误差修正。本发明可以用于中低速磁浮列车轨道工程加工和安装中对轨道不平顺度进行检测、并作为反馈量用于抑制轨道不平顺带来的系统扰动。

Description

一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法

技术领域

本发明涉及中低速磁浮列车系统轨道检测以及中低速磁浮列车悬浮控制检测技术。

背景技术

1.中低速磁浮列车悬浮系统介绍

在中低速磁浮列车中，悬浮系统采用电磁吸力悬浮的形式，电磁吸力悬浮系统本身不能自稳，需要采用闭环反馈控制使系统稳定。中低速磁浮列车悬浮系统通常有控制电源、气隙检测传感器、悬浮控制器、悬浮斩波电路、悬浮电磁铁以及轨道等部分组成。气隙传感器对悬浮气隙进行检测，悬浮控制器根据气隙值计算出需要调整的电磁铁电流目标值，通过悬浮斩波电路对悬浮电磁铁电流进行实现。

在中低速磁浮列车中悬浮电磁铁采用U型电磁铁结构，其两个侧板与底铁构成U型导磁磁路，U型槽中缠绕电磁铁线圈。悬浮轨道为形轨道，其中横向伸出部分与轨枕连接固定，两段竖直部分在U型电磁铁侧板正上方。轨道竖直部分与电磁铁侧板通过悬浮气隙形成闭合磁路。电磁铁侧板与轨道竖直部分的宽度均为28mm。采用28mm是考虑电磁铁发生侧向偏移时，电磁铁与轨道之间可以产生使电磁铁重新对正的导向力，这种导向力使得系统在左右方向上自稳。侧板宽度大不利于导向力的产生，宽度小垂向电磁吸力小。

2、线路不平顺

在轨道交通系统中轨道不平顺是指轨道几何形状、尺寸和空间位置的偏差，按照方向可以分为垂向和横向两种。对于中低速磁浮列车系统来说，垂向轨道不平顺是影响系统的关键因素。垂向的轨道不平顺在中低速磁浮列车系统中不仅仅是产生系统振动影响车辆舒适型，而且常常会造成悬浮系统失稳，产生严重后果和危害。

轨道不平顺首先是由于线路和线路铺设等产生的。与线路相关的不平顺与传统的轮轨交通系统轨道不平顺产生的原因是基本相同的。但对于中低速磁浮列车来说，垂向不平顺对系统的影响远大于轮轨系统，这是因为车辆悬浮系统是一个通过闭环修正而实现的稳定系统，竖直方向上轨道的不平顺会通过气隙传感器反映到气隙检测值中，这种不平顺可以等效为一个系统输入扰动。对于悬浮控制系统来说，其闭环反馈控制是基于悬浮气隙的反馈控制，为了保证悬浮气隙稳定，系统对悬浮气隙的变化非常敏感，气隙检测值中的轨道不平顺值通过控制器和电磁铁可能会产生很大的系统输出变化。系统输出可能会使悬浮系统发生振动甚至失稳。所以磁浮列车要求轨道缓和渐变，突变的轨道往往使得系统失稳。

在中低速磁浮列车中，线路带来的不平顺主要有周期性轨道不平顺、随机不平顺和局部不平顺。

周期不平顺主要是由轨道接缝产生的，气隙传感器通过轨道接缝时会出现极大值，其产生的周期与轨道长度和列车运行速度有关。这种不平顺幅值比较大，但是变化比较慢，通过多个传感器的切换可以有效的解决过缝问题。

随机不平顺，是由线路铺设、维护、磨损等原因造成的，这种不平顺在任何地方都会产生，其幅值通过工程质量对其控制。这种不平顺通过悬浮控制系统会产生随机振动，由于幅值有限，并不会引起系统失稳的问题。

局部不平顺，是在特定地点产生的轨道不平顺，这种不平顺的产生可能是轨道设计或者铺设时结构不合理，比如缓和曲线突变，超高突变，线路出现折线或者拐点等原因，也可能是局部轨道松动、轨道损坏或者轨道有制造缺陷等造成的。

对于这三种轨道不平顺，目前只对周期性不平顺通过悬浮控制软件进行处理。随机不平顺应该通过工程质量的控制对其不平顺的幅值进行控制。局部不平顺应该通过检测手段进行检测并且加以消除。

3、检测面不平顺

中低速磁浮列车轨道不平顺除了与轮轨系统相同的线路不平顺外，还有由于检测面造成的不平顺。检测面不平顺是中低速磁浮列车系统特有的一种轨道不平顺，它主要是由于轨道形状误差造成。

电磁铁与轨道之间的距离一般不超过20mm，所以气隙传感器需要检测的气隙范围在0～20mm左右。考虑气隙传感器检测死区以及保护探头等原因，实际中检测面到传感器探头的距离在4～24mm左右。气隙传感器主要采用电涡流传感器，其探头尺寸以及检测面的大小受到检测范围的影响，目前最小尺寸的悬浮传感器探头在35mm左右。显然由于悬浮侧板只有28mm宽，气隙传感器不可能直接检测电磁铁悬浮面与轨道悬浮面之间的距离。工程中通常将气隙传感器安装在电磁铁端部，轨道竖直部分之间的水平底面作为检测面，传感器探头与检测面距离近似认为电磁铁的悬浮气隙。当然这样悬浮气隙检测值与实际气隙可能会存在一定的误差。

下面分别分析气隙检测值与实际值之间的误差及其主要来源。通过前面的分析，可以知道电磁悬浮系统中存在四个平面：轨道悬浮面、电磁铁悬浮面、轨道检测面与气隙传感器探头面，其中轨道悬浮面与电磁铁悬浮面之间的距离是实际气隙，轨道检测面与气隙传感器探头表面的距离为检测气隙。

在工程实际中，为了节约成本，只对轧制后的轨道悬浮面进行加工，轨道检测面并不加工，电磁铁的悬浮面也通过机械加工保证精度和平整度。传感器探头表面面积小，其与相对电磁铁来说可以认为是一个检测点。传感器直接安装在电磁铁上，安装牢固可靠，一旦安装完成，其探头表面与电磁铁悬浮面之间的距离是固定值。电磁铁悬浮面与轨道悬浮面之间的距离是实际气隙，由于探头表面与电磁铁悬浮面之间的距离是固定的，所以传感器探头到轨道悬浮面之间的距离与实际气隙之间存在固定差值关系。

如果轨道采用精加工，保证其悬浮面与检测面精度和平整度都很高，两者之间的距离也是固定值的话，那么检测气隙值与实际气隙值之间通过传感器零值调整或者传感器安装位置调整可以完全相等。但由于轨道检测面比较大，工程中轨道轧制后并不对其进行加工，所以检测面的精度和平整度都很差，与轨道悬浮面之间的距离不能保证是一个固定值，是一个随机值。所以实际检测的气隙之中除了实际悬浮气隙外还存在轨道悬浮面与检测面之间的差值变化。

检测面的不平顺通常是随机不平顺，但在某些情况下，如检测面出现铁疤等可能会产生局部不平顺。

目前针对中低速磁浮列车轨道不平顺的问题并没有提出比较完整的理论和方法，在实际中也未见有对轨道不平顺进行检测和反馈的报道。本发明提出了一种对中低速磁浮列车轨道不平顺进行检测的原理及其方法，通过多个传感器之间的差值和列车速度观测轨道不平顺的变化速度以及加速度。

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多传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法，使之应用于中低速磁浮列车轨道检测工程中，以发现线路中的局部不平顺点和控制随机不平顺幅值，保证线路质量。其次，可以将轨道不平顺检测量送入悬浮控制系统进行反馈控制，通过控制算法抑制轨道不平顺对系统带来的扰动。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法，对磁浮轨道进行动态巡视以发现线路中的局部不平顺点和控制随机不平顺幅值，包含如下的手段：a)在沿着轨道运动的运动装置端部安装两只气隙传感器，即前传感器和后传感器；b)获取所述二传感器的气隙差值，将运动装置速度积分值作为轨道坐标，运动方向前后传感器差值与速度的乘积除以前后传感器的距离，得到的结果进行积分作为轨道不平顺值，同一时间轨道坐标对应同一时间的轨道不平顺值；c)记录b)的结果或将其输送至后续磁浮列车悬浮控制系统的状态观测及反馈控制单元。

采用本发明的方法，在一个可以沿着轨道运动的运动装置端部安装两个气隙检测传感器，运动装置沿着轨道悬浮面以一定速度运动，当装置转动量比较小时，那么轨道不平顺值对时间的微分近似等于相邻气隙传感器的差值乘装置沿轨道方向运行速度除以相邻气隙传感器的距离。

在此首先阐述系统检测的基本原理。根据图2，运动装置沿着轨道以速度运动v，运动装置一端安装有两个传感器，两个传感器相距L，运动装置总长l，运动装置长度l＞＞L。选取任意绝对平面作为x轴。

传感器位于x轴的位置分别为x₁、x₂，传感器的检测值分别为假设检测准确，没有误差，那么传感器距离轨道检测面的距离分别为

运动装置相对于绝对平面在x-y平面上有平动和转动两种，以x₁探头表面与x轴距离py(x₁)来表示运动装置的平动量，运动装置与x轴夹角α来表示运动装置的转动量。如果运动装置满足关系，那么运动装置可以转动的角度有限，转动量小，可以近似认为

轨道距离x轴（任意一个绝对平面）的距离为y(x)，考虑其对于时间的导数，在x₁位置轨道与x轴的距离为在x₂位置轨道与x轴的距离为运动装置的运动速度

如果需要检测的轨道长度远远大于传感器之间的距离，那么可以如下近似认为 $\frac{\mathrm{dy}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\≈\frac{y\left(x_2\right)-y\left(x_1\right)}{x_2-x_1}=\frac{y\left(x_2\right)-y\left(x_1\right)}{L}.$

那么 $\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dy}\left(x\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dy}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\≈\frac{v}{L}[y\left(x_2\right)-y\left(x_1\right)]\\ =\frac{v}{L}[\tilde{y}\left(x_2\right)-\tilde{y}\left(x_1\right)-\mathrm{dy}\left(x_2\right)]\end{array}.$

从式中可以看出两个传感器的差值可以反映出轨道不平顺在时间轴上变化的速度，dy(x₂)相当于检测的误差值。根据前面分析其中Y_m是运动物体可以运动的垂向最大距离，对悬浮模块来说Y_m等于其最大起浮气隙。那么通过控制可以减小误差值，如果l＞＞L，可以认为dy(x₂)≈0。当然，dy(x₂)也可以通过在运动装置上安装相应的角度传感器进行检测后予以修正。

当7＞＞L，可以认为这就是本发明轨道不平顺检测方法的基本原理。

基于上述原理，在一个沿着轨道方向运动的装置端部安装两个气隙传感器，运动装置沿着轨道运动，通过对速度积分得到轨道的坐标，通过对也就是运动方向上前传感器与后传感器的差值乘装置沿轨道方向运行速度除以相邻气隙传感器的距离进行积分得到轨道不平顺值，在同一时间下速度积分得到的轨道坐标对应同一时间下计算得到的轨道不平顺值，这样就可以得到不同轨道位置下的轨道不平顺值。

对于观测到的轨道不平顺值修正有两种方法。

一种方法，根据前面的分析通过增加运动装置的长度或者其他方法，以减小双传感器距离与运动装置长度的比值的同时减小上下可运动气隙值与运动装置长度的比值，从而使运动装置转动引起的误差可以忽略。

另一种方法是在前述b)步骤中，同时进行对运动装置的转动的检测，通过dy(x₂)≈αL对误差值进行修正。修正值等于运动装置的转动角度与传感器距离的乘积。轨道不平顺值为运动方向上前传感器与后传感器的差值减去修正值后乘装置沿轨道方向运行速度除以相邻气隙传感器的距离进行积分。

附图说明

图1是形轨道与U型电磁铁截面图。

图2是两传感器检测轨道不平顺示意图。

具体实施方式

实施例一

在中低速磁浮列车中，单悬浮模块的端部通常安装一组悬浮传感器，其中往往有两到三个气隙传感器，假设相邻传感器探头的距离为L。悬浮控制系统通过车载控制网络可以得到列车的运行速度，也就是悬浮模块的运行速度，假设为v。悬浮模块的长度假设为l。

假设相邻探头检测值为（前）和（后），那么在列车保持悬浮状态运行时，对相邻探头检测值和列车运行速度数据v进行在线采集。那么可以认为轨道的不平顺值的微分等于其误差值为vα，α表示悬浮模块的转动角度。

某一悬浮系统，当系统悬浮稳定时，按照悬浮系统要求，悬浮气隙的波动不大于±2mm，如果相邻传感器探头的距离不大于140mm，悬浮模块长度为2800mm，那么悬浮模块的转动角度不大于±7.14‰，相邻探头间由于转动产生的气隙差值造成的误差0.1mm，该值对悬浮控制系统来说并不大，所以由于悬浮模块发生转动造成的不平顺观测误差可以忽略。系统具有权利要求2中（a）所描述的特征（前后传感器之间的距离远远小于运动装置的长度，同时运动装置的上下可运动气隙值也远远小于运动装置的长度）。

通过对的积分可以观测到轨道的不平顺值，对其进行相应的反馈控制，以抑制轨道不平顺对系统造成的扰动。

实施例二

采用轨道不平顺检测装置，装置安装两个距离为L的气隙传感器和一个测速传感器，同时安装水平角度检测装置用于检测装置的角度变化。装置沿着轨道运行，假设检测速度为v，气隙传感器检测值为（前）和（后）。那么以速度v的积分量作为横坐标，的积分量作为纵坐标，就可以得到轨道不平顺图，从而实现对轨道不平顺的检测。

Claims (3)

1.一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法，对磁浮轨道进行动态巡视以发现线路中的局部不平顺点和控制随机不平顺幅值，包含如下的手段：a)在沿着轨道运动的运动装置端部安装两只气隙传感器，即前传感器和后传感器；b)获取所述二传感器的气隙差值，将运动装置速度积分值作为轨道坐标，运动方向前后传感器差值与速度的乘积除以前后传感器的距离，得到的结果进行积分作为轨道不平顺值，同一时间轨道坐标对应同一时间的轨道不平顺值；c)记录b)的结果或将其输送至后续磁浮列车悬浮控制系统的状态观测及反馈控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于：前后传感器之间的距离远小于运动装置的长度，同时运动装置的上下可运动气隙值也远小于运动装置的长度，使得装置发生转动角度很小，转动引起的误差值可以忽略。

3.根据权利要求1所述的一种基于双传感器的低速磁浮轨道不平顺检测方法，其特征在于，在b）步同时进行对运动装置的转动量检测，采用转动角度对观测到的轨道不平顺值进行修正，修正值为转动角度乘以双传感器距离，轨道不平顺值为运动方向前后传感器差值减去修正值后与速度的乘积除以前后传感器的距离后进行积分。