CN104527451A - 用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，包括电源单元、负载单元和检测单元，检测单元包括检测控制计算机、信号发生器和信号采集器，电源单元分别与检测单元以及被检测悬浮控制器的电源输入接头相连，信号发生器与悬浮控制器的传感器接头相连，信号采集器通过负载单元与悬浮控制器的电磁铁接头相连，检测控制计算机与悬浮控制器的通讯接头相连。本发明不仅能够在悬浮控制器装车之前对控制器的悬浮性能进行全面测试以保证装车后能够正常工作，而且能够在车载悬浮控制器出现故障时能够对其进行故障定位以便维修，具备快速检测悬浮控制器性能和诊断悬浮控制器故障双重功能，能够提高磁浮列车的运行可靠性和稳定性。

Description

用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置

技术领域

本发明涉及电磁常导(Electro Magnetic Suspension，简称EMS)型中低速磁浮列车领域，具体涉及一种用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置。

背景技术

作为依靠安装在车体上的电磁铁与轨道产生吸引力使列车悬浮在轨道上的新型轨道交通方式，中低速磁浮列车具有机械磨损小、爬坡能力强、转弯半径小等优点。而悬浮控制器作为整个中低速磁浮列车磁浮系统中的关键功能单元，其性能优劣及是否正常工作直接影响到中低速磁浮列车的安全运行。

如图1所示，悬浮控制器内部由主回路强电部分和弱电控制部分组成。主回路强电部分主要产生电磁铁所需的励磁电流；弱电控制部分主要通过控制悬浮电磁铁的励磁电流，进而控制电磁铁产生的电磁力。悬浮控制器共有4个外部接口，其中接口1是电源输入接头，用于输入DC330V的功率电源和DC110V的控制电源两种电源；接口2是电磁铁接头，输出对电磁铁的控制电流；接口3是通讯接头，包括以太网通讯和CAN通讯，控制器通过CAN通讯向列车运行控制系统发送悬浮状态等信息，通过以太网通讯向列车调试系统发送悬浮控制系统状态、悬浮间隙以及控制器故障信息等；接口4是传感器接头，负责外部传感器与悬浮控制器的信息传递。

如图2所示，悬浮控制器按功能可以划分为信号输入部分和控制输出部分两部分结构。其中，信号输入部分主要是由传感器采集控制所需的传感器信号，传感器信号包括来自传感器接头的外部传感器的信号、内部反馈的电流传感器的传感器信号，传感器信号通过信号接收模块输入CPU模块，经CPU模块处理；控制输出部分主要是CPU模块根据输入的传感器信号和通过通讯接口接收到计算机发送的悬浮控制命令通过控制输出模块输出控制信号，该控制信号通过驱动板、桥式电路、电磁铁接头输出给电磁铁，从而实现对电磁铁电流的控制。当悬浮控制器出现故障时，无法产生正确的控制信号，从而使悬浮系统失稳影响列车运行。磁浮列车商业化后需要大量控制器以及对控制器进行有效检测的手段，但是当前悬浮控制器离线检测诊断方法并不能满足要求，所以如何实现一种悬浮控制器检测平台具有现实需求，且已经成为亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种不仅能够在悬浮控制器装车之前对控制器的悬浮性能进行全面测试以保证装车后能够正常工作，而且能够在车载悬浮控制器出现故障时能够对其进行故障定位以便维修，具备快速检测悬浮控制器性能和诊断悬浮控制器故障双重功能，能够提高磁浮列车的运行可靠性和稳定性的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，包括电源单元、负载单元和检测单元，所述检测单元包括检测控制计算机、信号发生器和信号采集器，所述检测控制计算机分别与信号发生器和信号采集器相连，所述电源单元分别与检测单元以及被检测悬浮控制器的电源输入接头相连，所述信号发生器与被检测悬浮控制器的传感器接头相连，所述信号采集器通过负载单元与被检测悬浮控制器的电磁铁接头相连，所述检测控制计算机与被检测悬浮控制器的通讯接头相连。

优选地，所述电源单元包括整流电路、330V稳压模块、330V开关控制电路、110V稳压模块和110V开关控制电路，所述整流电路的输入端与输入的AC380V电源相连，所述整流电路的一路输出端依次通过330V稳压模块、330V开关控制电路与被检测悬浮控制器的电源输入接头相连，所述整流电路的另一路输出端依次通过110V稳压模块、110V开关控制电路与被检测悬浮控制器的电源输入接头相连，所述330V开关控制电路、110V开关控制电路的控制端分别与检测控制计算机相连。

优选地，所述电源单元还包括电源机柜，所述整流电路、330V稳压模块、330V开关控制电路、110V稳压模块、110V开关控制电路分别布置于所述电源机柜内。

优选地，所述检测单元还包括带有接线盒的检测机柜，所述检测控制计算机、信号发生器、信号采集器分别设于检测机柜内，所述接线盒包括相互隔离的强电接线端子单元和弱电接线端子单元，所述强电接线端子单元和弱电接线端子单元的外侧设有机柜接口面板，所述检测控制计算机、信号发生器、信号采集器分别通过接线盒的强电接线端子单元与电源单元相连，所述信号发生器通过接线盒的弱电接线端子单元与被检测悬浮控制器的传感器接头相连，所述信号采集器通过接线盒的弱电接线端子单元与负载单元相连。

优选地，所述检测单元还包括布置于检测机柜上的第一急停按钮开关，所述第一急停按钮开关串联布置于信号发生器、接线盒的弱电接线端子单元之间。

优选地，所述检测单元还包括布置于检测机柜上的第二急停按钮开关，所述第二急停按钮开关串联布置于信号采集器、接线盒的弱电接线端子单元之间。

优选地，所述负载单元包括模拟车体负载、箱梁和轨道，所述模拟车体负载通过空气弹簧支承于箱梁上，所述箱梁上设有间隙布置的电磁铁和直线电机定子，所述轨道布置于电磁铁和直线电机定子之间，且所述电磁铁与轨道上下相邻悬浮间隙布置，所述电磁铁上设有传感器单元，所述电磁铁的连接端子与被检测悬浮控制器的电磁铁接头相连，所述传感器单元的输出端与信号采集器相连。

或者优选地，所述负载单元包括电磁铁电气模拟支路和机械特性模拟运算芯片，所述电磁铁电气模拟支路与被检测悬浮控制器的电磁铁接头相连，所述电磁铁电气模拟支路包括串联连接的功率电感和功率电阻，且所述电磁铁电气模拟支路上设有电流传感器，所述电流传感器的输出端与机械特性模拟运算芯片相连，所述机械特性模拟运算芯片的输出端与信号采集器相连。优选地，所述机械特性模拟运算芯片根据根据电流传感器采集到的当前输出电流i和上一时刻间隙d₀通过式(1)计算当前加速度和当前间隙d；

$\left\{\begin{array}{c}f=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}S}{4}{\left(\frac{i}{d_0}\right)}^2\\ m\stackrel{\·\·}{d}=-f+P+\mathrm{mg}\\ \∫\∫\stackrel{\·\·}{d}=d\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，μ₀表示真空磁导率，N表示悬浮电磁铁的绕组匝数，S表示悬浮电磁铁单侧磁极面积，i表示电流传感器采集到的当前输出电流，d₀表示上一个时刻的间隙值，表示当前加速度，d表示当前间隙，m表示中低速磁浮列车的悬浮模块总质量，g表示重力加速度，P表示中低速磁浮列车在悬浮模块两端的等效力。

本发明用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置具有下述优点：

1、本发明包括电源单元、负载单元和检测单元，检测单元包括检测控制计算机、信号发生器和信号采集器，检测控制计算机分别与信号发生器和信号采集器相连，电源单元分别与检测单元以及被检测悬浮控制器的电源输入接头相连，信号发生器与被检测悬浮控制器的传感器接头相连，信号采集器通过负载单元与被检测悬浮控制器的电磁铁接头相连，检测控制计算机与被检测悬浮控制器的通讯接头相连，本发明通过上述结构，在悬浮控制器装车之前，对控制器的悬浮性能进行全面测试，保证装车后能够正常工作，并且在车载悬浮控制器出现故障时能够对其进行故障定位以便于维修，因此具备快速检测悬浮控制器性能和诊断悬浮控制器故障双重功能，能够有效提高磁浮列车的运行可靠性和稳定性。

2、本发明针对负载单元的实现，一方面进一步提供了模拟悬浮列车运行情况的模拟车体负载、箱梁和轨道，基于模拟车体负载、箱梁和轨道等部件来模拟悬浮列车运行情况，确保对悬浮控制器检测的准确性；另一方面，考虑到基于模拟车体负载、箱梁和轨道等部件来模拟悬浮列车运行情况存在的结构复杂、占用空间大、成本高、起浮测试时可能会造成器件损毁的缺点，本发明还进一步提供了采用虚拟负载等效电磁铁的方式来实现负载单元的技术方案，通过电磁铁电气模拟支路和机械特性模拟运算芯片虚拟实现模拟悬浮列车运行情况，具有结构简单、体积小巧、安全可靠的优点。

附图说明

图1为现有技术悬浮控制器的内部结构示意图。

图2为现有技术悬浮控制器的功能区域划分结构示意图。

图3为本发明实施例一的框架结构示意图。

图4为本发明实施例一中电源单元的示意图。

图5为本发明实施例一的整体结构示意图。

图6为本发明实施例一中检测单元的框架结构示意图。

图7为本发明实施例一中检测机柜和被检测悬浮控制器的结构示意图。

图8为本发明实施例一中负载单元的结构示意图。

图9为本发明实施例一中针对被检测悬浮控制器信号输入部分的检测原理示意图。

图10为本发明实施例一中针对被检测悬浮控制器控制输出部分的检测原理示意图。

图11为本发明实施例二中负载单元的框架结构示意图。

图12为本发明实施例二中悬浮模块的简化模型示意图。

图13为本发明实施例二中悬浮模块的简化模型的剖视结构示意图。

图例说明：1、电源单元；11、整流电路；12、330V稳压模块；13、330V开关控制电路；14、110V稳压模块；15、110V开关控制电路；2、负载单元；21、模拟车体负载；211、空气弹簧；22、箱梁；221、电磁铁；222、直线电机定子；223、传感器单元；23、轨道；24、电磁铁电气模拟支路；241、功率电感；242、功率电阻；243、电流传感器；25、机械特性模拟运算芯片；3、检测单元；31、检测控制计算机；32、信号发生器；33、信号采集器；34、接线盒；341、机柜接口面板；35、第一急停按钮开关；36、第二急停按钮开关；4、被检测悬浮控制器；41、电源输入接头；42、传感器接头；43、电磁铁接头；44、通讯接头。

具体实施方式

实施例一：

如图3所示，本实施例用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置包括电源单元1、负载单元2和检测单元3，检测单元3包括检测控制计算机31、信号发生器32和信号采集器33，检测控制计算机31分别与信号发生器32和信号采集器33相连，电源单元1分别与检测单元3以及被检测悬浮控制器4的电源输入接头41相连，信号发生器32与被检测悬浮控制器4的传感器接头42相连，信号采集器33通过负载单元2与被检测悬浮控制器4的电磁铁接头43相连，检测控制计算机31与被检测悬浮控制器4的通讯接头44相连。

如图4所示，电源单元1包括整流电路11、330V稳压模块12、330V开关控制电路13、110V稳压模块14和110V开关控制电路15，整流电路11的输入端与输入的AC380V电源相连，整流电路11的一路输出端依次通过330V稳压模块12、330V开关控制电路13与被检测悬浮控制器4的电源输入接头41相连，整流电路11的另一路输出端依次通过110V稳压模块14、110V开关控制电路15与被检测悬浮控制器4的电源输入接头41相连，330V开关控制电路13、110V开关控制电路15的控制端分别与检测控制计算机31相连。通过上述电路，使得电源单元1能够提供DC330V和DC110V两种电压，经电源输入接头41为被检测悬浮控制器4供电。330V电源有具有可调节输出功能；110V电源具有较高的电压输出精度，误差在1％，而控制器检测电压主要是为了得到电源的状态对精度要求不高，检测误差为2％～3％。检测控制计算机31可以通过信号对330V电源和110V电源进行控制，并且实时采集电源柜中电压和电流信息。在电源电压或电流异常时，检测控制计算机31具有保护功能，可以通过330V开关控制电路13、110V开关控制电路15的输出信号控制110V和330V电源的输出。

如图5所示，电源单元1还包括电源机柜，整流电路11、330V稳压模块12、330V开关控制电路13、110V稳压模块14、110V开关控制电路15分别布置于电源机柜内。而且，本实施例还包括用于放置被检测悬浮控制器4的测试台架，从而便于放置被检测悬浮控制器4，有利于对被检测悬浮控制器4的检测和保护。

如图5和图6所示，检测单元3还包括带有接线盒34的检测机柜，检测控制计算机31、信号发生器32、信号采集器33分别设于检测机柜内，接线盒34包括相互隔离的强电接线端子单元和弱电接线端子单元，强电接线端子单元和弱电接线端子单元的外侧设有机柜接口面板341，检测控制计算机31、信号发生器32、信号采集器33分别通过接线盒34的强电接线端子单元与电源单元1相连，信号发生器32通过接线盒34的弱电接线端子单元与被检测悬浮控制器4的传感器接头42相连，信号采集器33通过接线盒34的弱电接线端子单元与负载单元2相连。接线盒34作为检测控制计算机31与外部设备的接口，起到强弱电隔离的作用，并且可以在特定时刻断开强电，通过检测传感器信号输出的信号是否正常可以判断检测控制计算机31的电源和信号通路是否有故障。

本实施例中，检测控制计算机31则包括主机、显示器和输入设备等，检测机柜主要由检测控制计算机31、信号发生器32、信号采集器33组成，此外还包括电气背板和连接板等。检测控制计算机31是检测机柜的核心设备，控制整个检测装置的运行，信号发生器32可以根据检测控制计算机31的命令产生相应的传感器信号，该信号经被检测悬浮控制器4的传感器接头42传入被检测悬浮控制器4的CPU模块，从而被CPU模块采集。

为了最大限度确保操作人员和设备的安全，本实施例在接线盒34内设计有急停按钮(下文的第一急停按钮开关35和第二急停按钮开关36)，急停按钮触发后，测试系统断开控制器供电电源和负载，采用安全继电器控制复位动作，只有在急停解除并且按下复位按钮后，控制器供电电源才会接入系统。如图6所示，检测单元3还包括布置于检测机柜上的第一急停按钮开关35，第一急停按钮开关35串联布置于信号发生器32、接线盒34的弱电接线端子单元之间；此外检测单元3还包括布置于检测机柜上的第二急停按钮开关36，第二急停按钮开关36串联布置于信号采集器33、接线盒34的弱电接线端子单元之间。

如图7所示，被检测悬浮控制器4和检测控制计算机31之间的基于通讯接头44的通讯方式包括CAN通讯、以太网通讯两种，因此检测控制计算机31和被检测悬浮控制器4的通讯接头44均包括CAN通讯接口和以太网通讯接口共两种通讯接口。

如图8所示，负载单元2包括模拟车体负载21、箱梁22和轨道23，模拟车体负载21通过空气弹簧211支承于箱梁22上，箱梁22上设有间隙布置的电磁铁221和直线电机定子222，轨道23布置于电磁铁221和直线电机定子222之间，且电磁铁221与轨道23上下相邻悬浮间隙布置，电磁铁221上设有传感器单元223，电磁铁221的连接端子与被检测悬浮控制器4的电磁铁接头43相连，传感器单元223的输出端与信号采集器33相连。基于上述结构，负载单元2能够模拟电磁铁的电气及结构特性，作为被检测悬浮控制器4输出的负载；本实施例中，负载单元2通过传感器单元223将测得的电流值等传感器信号输出至检测机柜中的信号采集器33，当负载中的电流过大需要保护电路动作时，检测机柜中的检测控制计算机31通过继电器输出信号，控制电磁铁221的大继电器开断负载单元2与被检测悬浮控制器4的电磁铁接头43之间的连接，从而保护负载单元2。

如图9所示，使用本实施例对被检测悬浮控制器进行信号输入通路检测的过程如下：(1)检测机柜内的检测控制计算机31设计传感器信号并控制信号发生器32工作，信号发生器32模拟的传感器输出信号通过被检测悬浮控制器4的传感器接头42输入被检测悬浮控制器4，被检测悬浮控制器4的CPU模块根据输入的传感器信号产生响应信号，将该响应信号通过通讯接头44、以太网、通讯接口传输给检测控制计算机31，再经过检测控制计算机31将采集到的传感器信号传输至显示器显示输出，在显示器的显示界面中，通过对设计输出的传感器信号和经信号输入通路采集、与通讯传输得到的传感器信号进行对比，可以判断被检测悬浮控制器4的信号输入通路是否正常工作。

如图10所示，使用本实施例对被检测悬浮控制器进行信号输出通路检测与进行信号输入通路检测过程的思路相似，其实现过程如下：检测机柜中的检测控制计算机31由通讯接头44向控制器发出特定的电磁铁电流的命令，该命令经通讯接头44达到被检测悬浮控制器4的CPU模块，被检测悬浮控制器4的CPU模块通过驱动板控制桥式电路(斩波器电路)产生输出到电磁铁的电流，该输出电流通过电磁铁接头43输出给负载单元2。通过采集负载单元2中的电流量，并将此量与期望输出量在计算机中进行对比，可以判断被检测悬浮控制器4的信号输出通路是否存在故障。

本实施例中通过检测控制计算机31在本实施例用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置的基础上编写平台软件，平台软件采用Labview编写，分为测试功能模块和用户管理模块。其中，测试功能模块的功能说明如表1所示。

表1：测试功能模块的功能说明表。

应用本实施例用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置对被检测的悬浮控制器进行检测的内容如下：(1)弱电检测：只接通110V电源，启动测试程序检查悬浮控制器的弱电部分功能是否完备，是否存在故障；(2)强电检测：接通110V和330V电源，连接假性负载(负载单元2)，通过开关发出悬浮命令，检查控制器强电部分电路是否存在故障；(3)性能检测：通过开关发出悬浮和降落指令，观察浮落过程中的间隙、加速度、电流的变化曲线，与标准变化曲线加以对比，并通过通讯计算机接收、显示控制器上传的状态信号，检测是否存在异常；给间隙信号施加不同频率和幅值的干扰信号，检测悬浮间隙与电流的变化曲线，与标准变化曲线加以对比，检测是否存在异常；模拟故障信号(间隙故障、加速度故障、输入电源故障等)，通过通讯计算机接收、显示控制器上传的状态信号，检测故障判断及通讯是否存在异常；施加重载，检测控制器过载能力；长时间悬浮，检测控制器的稳定性。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其不同点为负载单元2的实现形式不同，实施例一采用电磁铁及轨道实现负载单元2的方式结构复杂、占用空间大、成本高，而且在起浮测试时可能会造成器件损毁，而本实施例采用虚拟负载等效电磁铁的方式来实现负载单元2，而且负载单元2体积较小，将其布置在单独的负载机柜中。

如图11所示，负载单元2包括电磁铁电气模拟支路24和机械特性模拟运算芯片25，电磁铁电气模拟支路24与被检测悬浮控制器4的电磁铁接头43相连(输出当前电压u)，电磁铁电气模拟支路24包括串联连接的功率电感241和功率电阻242，且电磁铁电气模拟支路24上设有电流传感器243，电流传感器243的输出端与机械特性模拟运算芯片25相连，机械特性模拟运算芯片25的输出端与信号采集器33相连。

本实施例中，机械特性模拟运算芯片25根据根据电流传感器243采集到的当前输出电流i和上一时刻间隙d₀通过式(1)计算当前加速度和当前间隙d；

$\left\{\begin{array}{c}f=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}S}{4}{\left(\frac{i}{d_0}\right)}^2\\ m\stackrel{\·\·}{d}=-f+P+\mathrm{mg}\\ \∫\∫\stackrel{\·\·}{d}=d\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，μ₀表示真空磁导率，N表示悬浮电磁铁的绕组匝数，S表示悬浮电磁铁的单侧磁极面积，i表示电流传感器243采集到的的当前输出电流，d₀表示上一个时刻的间隙值，表示当前加速度，d表示当前间隙，m表示中低速磁浮列车的悬浮模块总质量，g表示重力加速度，P表示中低速磁浮列车在悬浮模块两端的等效力。

悬浮模块作为中低速磁浮列车基本悬浮单元，悬浮模块之间实现了机械解耦。悬浮模块包含两个悬浮端点，每个悬浮端点是由相应的一组电磁铁和导轨相互作用构成。每个悬浮控制器控制相应的一个悬浮模块，实现稳定悬浮。磁浮列车悬浮模块的主要部件包括悬浮电磁铁、直线电机定子、悬浮传感器、托臂箱梁以及防侧滚梁等。由于悬浮模块左右两个端点的每组串联的两个电磁铁共用传感器和励磁装置，所以每个端点可以等效为单铁悬浮模型。在满足工程需要、不影响设计虚拟负载的前提下，悬浮模块可以做以下的简化和等效：(1)悬浮电磁铁产生的磁势均匀地加在气隙磁阻中，即不考虑电磁回路中的漏磁、电磁铁铁芯以及导轨的磁阻等。(2)忽略导轨的形变以及振动。(3)悬浮电磁铁和导轨间的均布悬浮力简化为集中力，力的作用点认为在电磁铁的几何中心。(4)将悬浮模块简化为在x轴上均匀分布的质杆，该质杆和导轨之间的间距等效为悬浮间隙。在此基础上，悬浮模块可以简化为如图12所示，其中m为悬浮模块总质量，f₁、f₂分别为悬浮模块两端电磁铁分别产生的电磁力，O₁、O₂分别为f₁、f₂的等效作用点，L为O₁、O₂到模块质心O的距离，s₁、s₂分别为悬浮模块两端传感器测得的悬浮间隙值，d₁、d₂分别为O₁、O₂到导轨的距离，P₁、P₂分别为车辆加在悬浮模块两端的等效力，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离。

悬浮模块的截面如图13所示，其中S表示电磁铁单侧磁极面积，δ (t)表示悬浮间隙，u(t)表示电磁铁线圈两端的控制电压，i(t)表示控制线圈的电流。针对悬浮模块建模时，所需要用到的物理量的含义如表2所示。

表2：悬浮模块的物理量说明表。

物理符号	物理意义	物理单位
			S	电磁铁单侧磁极面积	m2
N	电磁铁绕组匝数	匝
			L(d)	电磁铁线圈电感	H
R	电磁铁线圈电阻	Ω
			i(t)	控制线圈电流	A
d(t)	等效悬浮间隙	m
			u(t)	线圈两端控制电压	V
μ0	真空磁导率	H/m
			g	重力加速度	m/s2

对于悬浮模块的而言，电磁力f的公式如式(2)所示。

$f=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}S}{4}{\left(\frac{i}{d}\right)}^2=K{\left(\frac{i}{d}\right)}^2---\left(2\right)$

式(2)中，K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S的含义参见表2，i表示电流，d表示悬浮间隙。

由图12所示的悬浮模块简化模型可得式(3)，悬浮模块的两个端点的等效间隙如式(4)所示，将式(4)代入公式(2)电磁力公式中可得悬浮模块两端的电磁力如式(5)所示。

$\left\{\begin{array}{c}s=(s_1+s_2)/2\\ \mathrm{\θ}\≈(s_1-s_2)/2l\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，s表示模块质心O到轨道的距离，θ表示悬浮模块相对于轨道的俯仰角，s₁、s₂分别为悬浮模块两端传感器测得的悬浮间隙值，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离。

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=s+\mathrm{\θ}\×L=P{s}_1+Q{s}_2\\ d_2=s-\mathrm{\θ}\×L=Q{s}_1+P{s}_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，d₁、d₂分别为O₁、O₂到导轨的距离，s表示模块质心O到轨道的距离，θ表示悬浮模块相对于轨道的俯仰角，中间变量P的表达式为P＝(L+l)/(2l)，Q的表达式为Q＝(l-L)/(2l)，L为O₁、O₂到模块质心O的距离，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=K\frac{i_1^2}{d_1^2}=\frac{K{i}_1^2}{{(P{s}_1+Q{s}_2)}^2}\\ f_2=K\frac{i_2^2}{d_2^2}=\frac{K{i}_2^2}{{(Q{s}_1+P{s}_2)}^2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，f₁、f₂分别为悬浮模块两端电磁铁分别产生的电磁力，d₁、d₂分别为O₁、O₂到导轨的距离，i₁、i₂分别为悬浮模块两端电磁铁的悬浮电流，s₁、s₂分别为悬浮模块两端传感器测得的悬浮间隙值，K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S的含义参见表2，中间变量P的表达式为P＝(L+l)/(2l)，Q的表达式为Q＝(l-L)/(2l)，L为O₁、O₂到模块质心O的距离，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离。

根据电磁铁的基本原理可知电磁铁的线圈电感L(d)如式(6)所示，电磁铁两端电压u(t)与线圈中电流i的关系如式(7)所示。

$L\left(d\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}S}{2d}=\frac{2K}{d}---\left(6\right)$

式(6)中，L(d)表示电磁铁在悬浮间隙d下的线圈电感，K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S的含义参见表2。

$u\left(t\right)=\mathrm{Ri}\left(t\right)+\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[L\left(d\right)i\left(t\right)\right]=\mathrm{Ri}+\frac{2\mathrm{Ki}}{d}-\frac{2\mathrm{Ki}\stackrel{\·}{d}}{d^2}---\left(7\right)$

式(7)中，u(t)表示电磁铁两端在t时刻的电压，i(t)表示线圈在t时刻的电流，i表示线圈的电流，R的含义参见表2，L(d)表示电磁铁在悬浮间隙d下的线圈电感；K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S的含义参见表2。

将式(4)代入式(7)，得到模块内部两端电磁铁的电压方程如式(8)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1\left(t\right)=R{i}_1+\frac{2K{\stackrel{\·}{i}}_1}{P{s}_1+Q{s}_2}-\frac{2K{i}_1(P{\stackrel{\·}{s}}_1+Q{\stackrel{\·}{s}}_2)}{{(P{s}_1+Q{s}_2)}^2}\\ u_2\left(t\right)=R{i}_2+\frac{2K{\stackrel{\·}{i}}_2}{Q{s}_1+P{s}_2}-\frac{2K{i}_2(Q{\stackrel{\·}{s}}_1+P{\stackrel{\·}{s}}_2)}{{(Q{s}_1+P{s}_2)}^2}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中，u₁(t)和u₂(t)分别为悬浮模块两端的电压，i₁、i₂分别为悬浮模块两端电磁铁的悬浮电流，s₁、s₂分别为悬浮模块两端传感器测得的悬浮间隙值，中间变量P的表达式为P＝(L+l)/(2l)，Q的表达式为Q＝(l-L)/(2l)，L为O₁、O₂到模块质心O的距离，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离；K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S、R的含义参见表2；表示悬浮电流i₁的微分值，表示悬浮电流i₂的微分值，表示悬浮间隙值s₁的微分值，表示悬浮间隙值s₂的微分值。

分析悬浮模块的机械运动，悬浮模块的机械运动可以分为在垂直方向上的平动和绕Ox轴的转动。设向下为模块平动的正方向，逆时针为转动的正方向。可得悬浮模块的机械运动方程如式(9)所示；将式(3)代入式(9)，则可得到式(10)。

$\left\{\begin{array}{c}m\stackrel{\·\·}{d}=-f_1-f_2+P_1+P_2+\mathrm{mg}\\ I\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=P_{1}l-P_{2}l-f_{1}L+f_{2}L\end{array}\right.---\left(9\right)$

式(9)中，m表示悬浮模块总质量，g表示重力加速度，表示加速度，I表示模块绕Ox轴的转动惯量，表示悬浮模块相对于轨道的俯仰角的角加速度，f₁、f₂分别为悬浮模块两端电磁铁分别产生的电磁力，P₁、P₂分别为车辆加在悬浮模块两端的等效力，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离，L为O₁、O₂到模块质心O的距离。

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{s}}_1=-A_K\×f_1-B_K\×f_2+C_K\×P_1+D_K\×P_2+g\\ {\stackrel{\·\·}{s}}_2=-B_K\×f_1-A_K\×f_2+D_K\×P_1+C_K\×P_2+g\end{array}\right.---\left(10\right)$

式(10)中，f₁、f₂分别为悬浮模块两端电磁铁分别产生的电磁力，P₁、P₂分别为车辆加在悬浮模块两端的等效力，g表示重力加速度，A_K～D_K的表达式如式(11)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{A}_K=(I+\mathrm{mLl})/\left(\mathrm{mI}\right)\\ B_K=(I-\mathrm{mLl})/\left(\mathrm{mI}\right)\\ C_K=(I+m{l}^2)/\left(\mathrm{mI}\right)\\ D_K=(I-m{l}^2)/\left(\mathrm{mI}\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

式(11)中，I表示模块绕Ox轴的转动惯量，m表示悬浮模块总质量，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离，L为O₁、O₂到模块质心O的距离。

由式(5)所示电磁力方程、式(8)所示电压平衡方程和式(10)所示机械运动方程可得悬浮模块的动力学方程组如式(12)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=\frac{K{i}_1^2}{{(P{s}_1+Q{s}_2)}^2}\\ f_2=\frac{K{i}_2^2}{{(Q{s}_1+P{s}_2)}^2}\\ u_1\left(t\right)=R{i}_1+\frac{2K{\stackrel{\·}{i}}_1}{P{s}_1+Q{s}_2}-\frac{2K{i}_1(P{\stackrel{\·}{s}}_1+Q{\stackrel{\·}{s}}_2)}{{(P{s}_1+Q{s}_2)}^2}\\ u_2\left(t\right)=R{i}_2+\frac{2{K\stackrel{\·}{i}}_2}{Q{s}_1+P{s}_2}-\frac{2K{i}_2(Q{\stackrel{\·}{s}}_1+P{\stackrel{\·}{s}}_2)}{{(Q{s}_1+P{s}_2)}^2}\\ {\stackrel{\·\·}{d}}_1=-A_K\×f_1-B_K\×f_2+C_K\×P_1+D_K\×p_2+g\\ {\stackrel{\·\·}{d}}_2=-B_K\×f_1-A_K\×f_2+D_K\×P_1+C_K\×P_2+g\end{array}\right.---\left(12\right)$

式(12)中，各物理量含义参见前述式(5)、式(8)和式(10)的解释。令系统状态变量 $x={[x_1,x_2,x_3,x_4,x_5,x_6]}^T={[s_1,{\stackrel{\·}{s}}_1,{i_1,s_2,\stackrel{\·}{s}}_2,i_2]}^T,$ 则系统状态方程可表示为式(13)所示。

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)u\\ y=h\left(x\right)\end{array}\right.---\left(13\right)$

式(13)中，表示自变量x的微分值，y表示函数的值，f(x)的函数表达式如式(14)所示，g(x)的函数表达式如式(15)所示，h(x)的函数表达式如式(16)所示，u的函数表达式如式(17)所示。

$f\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ -\frac{A_{K}K}{{(P{x}_1+Q{x}_4)}^2}{x}_3^2-\frac{B_{K}K}{{(Q{x}_1+P{x}_4)}^2}{s}_6^2+C_K{P}_1+D_K{P}_2+g\\ \frac{2K(P{x}_2+Q{x}_5)-R{(P{x}_1+Q{x}_4)}^2}{2K(P{x}_1+Q{x}_4)}\\ x_5\\ -\frac{B_{K}K}{{(P{x}_1+Q{x}_4)}^2}{x}_3^2-\frac{A_{K}K}{{(Q_{x1}+P{x}_4)}^2}{x}_6^2+D_K{P}_1+C_K{P}_2+g\\ \frac{2K(Q{x}_2+P{x}_5)-R{(Q{x}_1+P{x}_4)}^2}{2K(Q{x}_1+P{x}_4)}\end{array}\right]---\left(14\right)$

式(14)中，x₁表示悬浮模块端点1测得的悬浮间隙值，x₂表示悬浮模块端点1的悬浮间隙值的微分，x₃表示悬浮模块端点1的电流，x₄表示悬浮模块端点2测得的悬浮间隙值，x₅表示悬浮模块端点2悬浮间隙值的微分，x₆表示悬浮模块端点2的电流，A_K～D_K的表达式如式(11)所示，K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S、R的含义参见表2，g表示重力加速度，P₁、P₂分别为车辆加在悬浮模块两端的等效力，中间变量P的表达式为P＝(L+l)/(2l)，Q的表达式为Q＝(l-L)/(2l)，L为O₁、O₂到模块质心O的距离，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离。

$g\left(x\right)=\left[\begin{array}{cc}{g}_1\left(x\right)& g_2\left(x\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ \frac{P{x}_1+Q{x}_4}{2K}& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\\ 0& \frac{Q{x}_1+P{x}_4}{2K}\end{array}\right]---\left(15\right)$

式(15)中，x₁表示悬浮模块端点1测得的悬浮间隙值，x₄表示悬浮模块端点2测得的悬浮间隙值，中间变量P的表达式为P＝(L+l)/(2l)，Q的表达式为Q＝(l-L)/(2l)，L为O₁、O₂到模块质心O的距离，l为N₁、N₂的作用点到模块质心O的距离；K＝μ₀N²S/4，μ₀、N、S、R的含义参见表2。

$h\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{h}_1\left(x\right)\\ h_2\left(x\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_4\end{array}\right]---\left(16\right)$

式(16)中，x₁表示悬浮模块端点1测得的悬浮间隙值，x₄表示悬浮模块端点2测得的悬浮间隙值。

$u=\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_1\left(t\right)\\ u_2\left(t\right)\end{array}\right]---\left(17\right)$

式(17)中，u₁(t)和u₂(t)分别为悬浮模块两端的电压。

由式(13)所示的系统状态方程容易看出，悬浮模块是多输入多输出的非线性耦合系统，负载的电气特性由公式(8)表示，负载的机械特性由式(5)和式(10)表示。基于上述推导，机械特性模拟运算芯片25只需要根据式(1)所示的机械特性模拟函数进行模拟计算并向信号采集器33输出当前电流i、当前加速度和当前间隙d，即可实现负载单元2的虚拟负载实现，能够替代实施例一的实物电磁铁，实现简单、体积小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：包括电源单元(1)、负载单元(2)和检测单元(3)，所述检测单元(3)包括检测控制计算机(31)、信号发生器(32)和信号采集器(33)，所述检测控制计算机(31)分别与信号发生器(32)和信号采集器(33)相连，所述电源单元(1)分别与检测单元(3)以及被检测悬浮控制器(4)的电源输入接头(41)相连，所述信号发生器(32)与被检测悬浮控制器(4)的传感器接头(42)相连，所述信号采集器(33)通过负载单元(2)与被检测悬浮控制器(4)的电磁铁接头(43)相连，所述检测控制计算机(31)与被检测悬浮控制器(4)的通讯接头(44)相连。

2.根据权利要求1所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述电源单元(1)包括整流电路(11)、330V稳压模块(12)、330V开关控制电路(13)、110V稳压模块(14)和110V开关控制电路(15)，所述整流电路(11)的输入端与输入的AC380V电源相连，所述整流电路(11)的一路输出端依次通过330V稳压模块(12)、330V开关控制电路(13)与被检测悬浮控制器(4)的电源输入接头(41)相连，所述整流电路(11)的另一路输出端依次通过110V稳压模块(14)、110V开关控制电路(15)与被检测悬浮控制器(4)的电源输入接头(41)相连，所述330V开关控制电路(13)、110V开关控制电路(15)的控制端分别与检测控制计算机(31)相连。

3.根据权利要求2所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述电源单元(1)还包括电源机柜，所述整流电路(11)、330V稳压模块(12)、330V开关控制电路(13)、110V稳压模块(14)、110V开关控制电路(15)分别布置于所述电源机柜内。

4.根据权利要求3所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述检测单元(3)还包括带有接线盒(34)的检测机柜，所述检测控制计算机(31)、信号发生器(32)、信号采集器(33)分别设于检测机柜内，所述接线盒(34)包括相互隔离的强电接线端子单元和弱电接线端子单元，所述强电接线端子单元和弱电接线端子单元的外侧设有机柜接口面板(341)，所述检测控制计算机(31)、信号发生器(32)、信号采集器(33)分别通过接线盒(34)的强电接线端子单元与电源单元(1)相连，所述信号发生器(32)通过接线盒(34)的弱电接线端子单元与被检测悬浮控制器(4)的传感器接头(42)相连，所述信号采集器(33)通过接线盒(34)的弱电接线端子单元与负载单元(2)相连。

5.根据权利要求4所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述检测单元(3)还包括布置于检测机柜上的第一急停按钮开关(35)，所述第一急停按钮开关(35)串联布置于信号发生器(32)、接线盒(34)的弱电接线端子单元之间。

6.根据权利要求5所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述检测单元(3)还包括布置于检测机柜上的第二急停按钮开关(36)，所述第二急停按钮开关(36)串联布置于信号采集器(33)、接线盒(34)的弱电接线端子单元之间。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述负载单元(2)包括模拟车体负载(21)、箱梁(22)和轨道(23)，所述模拟车体负载(21)通过空气弹簧(211)支承于箱梁(22)上，所述箱梁(22)上设有间隙布置的电磁铁(221)和直线电机定子(222)，所述轨道(23)布置于电磁铁(221)和直线电机定子(222)之间，且所述电磁铁(221)与轨道(23)上下相邻悬浮间隙布置，所述电磁铁(221)上设有传感器单元(223)，所述电磁铁(221)的连接端子与被检测悬浮控制器(4)的电磁铁接头(43)相连，所述传感器单元(223)的输出端与信号采集器(33)相连。

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述负载单元(2)包括电磁铁电气模拟支路(24)和机械特性模拟运算芯片(25)，所述电磁铁电气模拟支路(24)与被检测悬浮控制器(4)的电磁铁接头(43)相连，所述电磁铁电气模拟支路(24)包括串联连接的功率电感(241)和功率电阻(242)，且所述电磁铁电气模拟支路(24)上设有电流传感器(243)，所述电流传感器(243)的输出端与机械特性模拟运算芯片(25)相连，所述机械特性模拟运算芯片(25)的输出端与信号采集器(33)相连。

9.根据权利要求8所述的用于中低速磁浮列车的悬浮控制器检测装置，其特征在于：所述机械特性模拟运算芯片(25)根据根据电流传感器(243)采集到的当前输出电流i和上一时刻间隙d₀通过式(1)计算当前加速度和当前间隙d；

$\left\{\begin{array}{c}f=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}S}{4}{\left(\frac{i}{d_0}\right)}^2\\ m\stackrel{\·\·}{d}=-f+P+\mathrm{mg}\\ \∫\∫\stackrel{\·\·}{d}=d\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，μ₀表示真空磁导率，N表示悬浮电磁铁的绕组匝数，S表示悬浮电磁铁的单侧磁极面积，i表示电流传感器(243)采集到的的当前输出电流，d₀表示上一个时刻的间隙值，表示当前加速度，d表示当前间隙，m表示中低速磁浮列车的悬浮模块总质量，g表示重力加速度，P表示中低速磁浮列车在悬浮模块两端的等效力。