CN107487187A - 接触压力反馈式受电弓控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触压力反馈式受电弓控制系统，其包括光纤压力传感器、磨损传感器、解调器和控制器。本发明通过在受电弓臂与集电头之间的安装柱上增加光纤压力传感器，来实时检测集电头通过安装柱向下传递的正压力，并根据该正压力分离出集电头和接触网之间的接触力，从而确保该接触力被控制在合理的范围内，由此使得本发明的压力反馈信息更加准确，即使在发生冻雨，集电头挂冰时，也能有效分离集电头重力，从而提高了控制的准确性。

Description

接触压力反馈式受电弓控制系统
技术领域
本发明涉及一种受电弓控制系统，尤其涉及一种接触压力反馈式受电弓控制系统。
背景技术
受电弓的作用是通过受电弓碳滑板与接触网的良好接触，从接触网获取电能，为车辆提供动力。受电弓与接触网之间的接触力稳定是可靠受流的前提；接触力过大会导致碳滑板过快磨损，甚至拉沟损坏碳滑板；接触力过小会导致接触不良导致离线火花升高等问题。因此，需要根据车辆运行的不同速度，准确的将受电弓与接触网之间的接触力控制在一定的范围内。
现有受电弓如中国专利CN103528624A中所记载的，其中的光纤应变传感器用于测量弹性板的弹性应变，从而计算出断面力值Fd；其中的光纤磨耗传感器：测量碳滑板剩余厚度，等效计算剩余碳滑板质量；其中的光纤加速度传感器：测量碳滑板的加速度，通过Fine＝M*a得到惯性力，M通过碳滑板剩余厚度得到，a即碳滑板的加速度。
但是上述专利中的假设在一般情况下是成立的，但是在极端天气条件下，例如受电弓弓头挂冰的情况下这种关联关系是不成立的，因此，其实际控制效果较差。
发明内容
本发明目的是提供一种接触压力反馈式受电弓控制系统，其采用光纤压力传感器来检测受电弓与接触网之间的接触力，检测精度高；并且当采用闭环对接触力进行控制时，控制效果较好。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种接触压力反馈式受电弓控制系统，其包括：光纤压力传感器、磨损传感器、解调器和控制器；
所述受电弓包括受电弓臂、集电头和气囊；所述受电弓臂通过安装柱连接所述集电头，用于支撑所述集电头；所述集电头与接触网接触，用于接收电力；所述气囊用于控制所述受电弓臂的运动，从而实现所述集电头的升降；
所述气囊包括进气阀、排气阀和压力传感器，当所述进气阀打开时，能够向所述气囊内部填充气体，提升气囊内压力，升高所述集电头；并且当所述排气阀打开时，从气囊内部排出气体，降低气囊内压力，降低所述集电头；所述压力传感器信号连接于所述控制器，以将所述气囊的压力传递至所述控制器；所述进气阀和排气阀均连接于所述控制器，并受所述控制器控制；
所述磨损传感器为针形，埋设于碳钢条中，并且在碳钢条左右各一个；或者贴装在碳钢条侧面，用于检测碳钢条的磨损情况，并将其检测的信号发送至控制器，同时用于标记光纤压力传感器的读取时间标记；
所述光纤压力传感器设置于所述安装柱上，并用于实时检测集电头与受电弓臂之间的压力，并输出对应的信号；
所述光纤压力传感器通过光纤连接于解调器，所述解调器将所述光信号转换为对应的电信号；
所述解调器信号连接于所述控制器，所述控制器根据所述解调器所发送的电信号，计算该光纤压力传感器所检测的正压力的大小，并根据该正压力的大小，控制接触力Fc为最优接触力。
可选的，所述控制器根据所述解调器所发送的电信号，计算该光纤压力传感器所检测的正压力的大小，并根据该正压力的大小，控制接触力Fc为最优接触力具体为：
所述光纤压力传感器为两个，位于左侧的光纤压力传感器检测到的正压力为Fb，Fb＝f1(t)，位于右侧的光纤压力传感器检测到的正压力为Fr，Fb＝f2(t)，其中t为时间；则：Fb+Fr＝Fg+Fc+Ft，其中Fg为集电头重力，Fc为接触力，Ft为弓网弹性力；
当受电弓未与接触网接触的t0时刻，Fg＝Fb+Fr＝f1(t0)+f2(t0)；
在任意时刻Fc＝Fb+Fr-Fg-Ft；
所述控制器根据已知的预设的函数Fc＝f3(v)得到最优接触力，其中v是车速；并且控制所述进气阀和排气阀的开闭，以升高或降低集电头的高度，从而使得接触力Fc为最优接触力。
可选的，当Fg发生变化时，假定光纤压力传感器以受电弓臂的重点对称分布，且两个光纤压力传感器之间的距离为L，且电网与受电弓接触的位置距离中点的距离为d，则：
Fb×(L/2+d)＝Fg×d+Fr(L/2-d)；式(1)；
Fg×L/2+Fc×(L/2+d)＝Fr×L；式(2)；
Fg×L/2+Fc×(L/2-d)＝Fb×L；式(3)；
综合式(1)、式(2)和式(3)可知：
Fc＝L×|Fr-Fb|/2d；式(4)；将式(4)代入式(2)或者式(3)，可以求得Fg。
可选的，当分离出来的Ft的RMS值偏大一定程度的时候，认为弓网弹性过大，作为弓网故障的判断依据。
本发明具有如下有益效果：本发明通过在受电弓臂与集电头之间的安装柱上增加光纤压力传感器，来实时检测集电头通过安装柱向下传递的正压力，并根据该正压力分离出集电头和接触网之间的接触力，从而确保该接触力被控制在合理的范围内，由此使得本发明的压力反馈信息更加准确，即使在发生冻雨，集电头挂冰时，也能有效分离集电头重力，从而提高了控制的准确性。
附图说明
图1为本发明的光纤压力传感器的安装位置的结构示意图；
图2为本发明的控制器以及与其相连的元器件的连接关系示意图；
附图中标记具体为：1-集电头；2-受电弓臂；3-电网；4-光纤压力传感器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种接触压力反馈式受电弓控制系统，其包括光纤压力传感器、磨损传感器、解调器和控制器。
所述受电弓包括受电弓臂、集电头和气囊；所述受电弓臂通过安装柱连接于所述集电头上，用于支撑所述集电头，所述集电头与所述接触网接触，用于接收电力，并且在所述集电头和接触网之间产生接触力，所述气囊用于控制所述受电弓臂的运动，从而实现所述集电头的升降。
本实施例中，所述气囊包括进气阀、排气阀和气压传感器，当所述进气阀打开时，能够向所述气囊内部填充气体，使得气囊膨胀，升高所述集电头，并进一步使得接触力增大；并且当所述排气阀打开时，从气囊内部排出气体，使得气囊缩小，降低所述集电头，并进一步使得接触力减小，因此，可以通过所述进气阀和排气阀的开闭来实现接触力的调节；所述气压传感器与所述控制器信号连接，以将所述气囊的压力传递至所述控制器。
所述磨损传感器为针形，埋设于碳钢条中，并且在碳钢条左右1/4处各一个；或者贴装在碳钢条侧面，用于检测碳钢条的磨损情况，并将检测的信号发送至所述控制器，此时所述磨损传感器与所述控制器信号连接，所述磨损传感器同时还用于标记光纤压力传感器的读取时间标记。当碳钢条在磨损之后的剩余厚度不足5mm的时候，提示驾驶员更换碳钢条。
所述光纤压力传感器设置于所述安装柱上，并用于实时检测集电头与受电弓臂之间的压力，并输出对应的光信号。
所述光纤压力传感器通过光纤连接于解调器，所述解调器将所述光信号转换为对应的电信号。
所述解调器信号连接于所述控制器，所述控制器根据所述电信号，计算该光纤压力传感器所检测的正压力的大小，例如，当所述光纤压力传感器为两个时，位于左侧的光纤压力传感器检测到的正压力为Fb，Fb＝f1(t)，其中t为时间，位于右侧的光纤压力传感器检测到的正压力为Fr，Fr＝f2(t)，其中t为时间，则：Fb+Fr＝集电头重力(Fg)+接触力(Fc)+弓网弹性力(Ft)。
当受电弓未与接触网接触的t0时刻，Fg＝Fb+Fr＝f1(t0)+f2(t0)；
则：接触力(Fc)＝Fb+Fr-集电头重力(Fg)-弓网弹性力(Ft)；
本实施例中，所述接触压力反馈式受电弓控制系统的控制核心是Fc在能够稳定受流的条件下，尽可能小，Ft也尽可能小。但Fc和Ft之间是矛盾体，Fc减小会导致Ft增大。Fc过大会导致碳钢条磨损加快。
当Fg发生变化时(例如发生冻雨，集电头挂冰时)，假定光纤压力传感器以集电头的中点对称分布，且两个光纤压力传感器之间的距离为L，且电网与集电头接触的位置距离中点的距离为d，则：
Fb×(L/2+d)＝Fg×d+Fr(L/2-d)；式(1)；
Fg×L/2+Fc×(L/2+d)＝Fr×L；式(2)；
Fg×L/2+Fc×(L/2-d)＝Fb×L；式(3)；
综合式(1)、式(2)和式(3)可知：
Fc＝L×(Fr-Fb)/2d；式(4)；将式(4)代入式(2)或者式(3)，可以求得Fg，从而有效将Fc与Fg进行分离。
所述控制器根据已知的预设的函数Fc＝f3(v)得到最优的接触力Fc，即，Fc＝f3(v)为已知最优速度与接触力的函数。其中v是车速；本发明的控制目标是通过控制器控制所述进气阀、出气阀调节气囊压力，最终实现控制Fc与f3(v)最接近，由此，本发明中，根据实时检测的Fb和Fr，控制所述进气阀和排气阀的开闭，以升高或降低集电头的高度，从而使得接触力Fc为最优接触力。
本实施例中，Ft通过Fb和Fr的斜率滤除归零。
本发明通过在受电弓臂与集电头之间的安装柱上增加光纤压力传感器，来实时检测集电头通过安装柱向下传递的正压力，并根据该正压力分离出集电头和接触网之间的接触力，从而确保该接触力被控制在合理的范围内，由此使得本发明的压力反馈信息更加准确，即使在发生冻雨，集电头挂冰时，也能有效分离集电头重力，从而提高了控制的准确性。
另外由于线路的差异、车辆本身的差异造成的压力差异在本系统中也可以非常方便的适应与调整。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种接触压力反馈式受电弓控制系统，其特征在于，包括：光纤压力传感器、磨损传感器、解调器和控制器；
所述受电弓包括受电弓臂、集电头和气囊；所述受电弓臂通过安装柱连接所述集电头，用于支撑所述集电头；所述集电头与接触网接触，用于接收电力；所述气囊用于控制所述受电弓臂的运动，从而实现所述集电头的升降；
所述气囊包括进气阀、排气阀和压力传感器，当所述进气阀打开时，能够向所述气囊内部填充气体，提升气囊内压力，升高所述集电头；并且当所述排气阀打开时，从气囊内部排出气体，降低气囊内压力，降低所述集电头；所述压力传感器信号连接于所述控制器，以将所述气囊的压力传递至所述控制器；所述进气阀和排气阀均连接于所述控制器，并受所述控制器控制；
所述磨损传感器为针形，埋设于碳钢条中，并且在碳钢条左右各一个；或者贴装在碳钢条侧面，用于检测碳钢条的磨损情况，并将其检测的信号发送至控制器，同时用于标记光纤压力传感器的读取时间标记；
所述光纤压力传感器设置于所述安装柱上，并用于实时检测集电头与受电弓臂之间的压力，并输出对应的信号；
所述光纤压力传感器通过光纤连接于解调器，所述解调器将所述光信号转换为对应的电信号；
所述解调器信号连接于所述控制器，所述控制器根据所述解调器所发送的电信号，计算该光纤压力传感器所检测的正压力的大小，并根据该正压力的大小，控制接触力Fc为最优接触力。
2.根据权利要求1所述的接触压力反馈式受电弓控制系统，其特征在于，所述控制器根据所述解调器所发送的电信号，计算该光纤压力传感器所检测的正压力的大小，并根据该正压力的大小，控制接触力Fc为最优接触力具体为：
所述光纤压力传感器为两个，位于左侧的光纤压力传感器检测到的正压力为Fb，Fb＝f1(t)，位于右侧的光纤压力传感器检测到的正压力为Fr，Fb＝f2(t)，其中t为时间；则：Fb+Fr＝Fg+Fc+Ft，其中Fg为集电头重力，Fc为接触力，Ft为弓网弹性力；
当受电弓未与接触网接触的t0时刻，Fg＝Fb+Fr＝f1(t0)+f2(t0)；
在任意时刻Fc＝Fb+Fr-Fg-Ft；
所述控制器根据已知的预设的函数Fc＝f3(v)得到最优接触力，其中v是车速；并且控制所述进气阀和排气阀的开闭，以升高或降低集电头的高度，从而使得接触力Fc为最优接触力。
3.根据权利要求2所述的接触压力反馈式受电弓控制系统，其特征在于，当Fg发生变化时，假定光纤压力传感器以受电弓臂的重点对称分布，且两个光纤压力传感器之间的距离为L，且电网与受电弓接触的位置距离中点的距离为d，则：
Fb×(L/2+d)＝Fg×d+Fr(L/2-d)；式(1)；
Fg×L/2+Fc×(L/2+d)＝Fr×L；式(2)；
Fg×L/2+Fc×(L/2-d)＝Fb×L；式(3)；
综合式(1)、式(2)和式(3)可知：
Fc＝L×|Fr-Fb|/2d；式(4)；将式(4)代入式(2)或者式(3)，可以求得Fg。
4.根据权利要求3所述的接触压力反馈式受电弓控制系统，其特征在于，当分离出来的Ft的RMS值偏大一定程度的时候，认为弓网弹性过大，作为弓网故障的判断依据。
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