CN109532510B - 一种磁浮列车振动控制装置及方法、磁浮列车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁浮列车振动控制装置及方法、磁浮列车，公开的装置包括电磁铁梁设置在轨道之下，电磁铁梁上设置有若干个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器，悬浮间隙传感器用以测量电磁铁梁极板上表面与轨道之间的悬浮间隙距离。增加悬浮间隙传感器数量，并根据每段应施加的电磁力和悬浮间隙距离来计算得到的驱动电流来驱动各段电磁铁线圈，在电磁铁梁有变形振动时，使电磁铁梁的电磁力沿轨道方向均匀化，即电磁铁梁上分布电磁力的大小尽量相等，从而能够减轻和抑制电磁铁梁的振动，防止其与悬浮系统的进一步耦合振动。

Description

一种磁浮列车振动控制装置及方法、磁浮列车

技术领域

本发明涉及到磁浮列车技术领域，尤其涉及一种磁浮列车振动控制装置及方法。本发明还涉及使用上述磁浮列车振动控制装置的磁浮列车。

背景技术

磁浮列车在运行过程中会出现振动，振动对行车安全和舒适性影响较大。其中较为复杂且亟待解决的振动为车轨耦合振动。磁浮列车机械振动分为电磁铁梁的振动，转向架的振动以及转向架以上的车厢振动，每级振动通过减振弹簧等减振或解耦机构连接。转向架、车厢的振动对车轨耦合振动的影响较小，而电磁铁梁的振动影响较大，因电磁铁梁变形振动会直接影响悬浮系统，而列车的悬浮稳定性是整个问题的关键和核心。

有研究将转向架等效成质量块，将悬浮力类比成弹簧力，悬浮力在平衡位置有近似值恒定的刚度值和阻尼值。这种等效方法没有考虑到电磁铁梁的弹性振动，当电磁铁梁发生振动弯曲时，会导致悬浮力出现非均匀分布。如图1所示，这时相对于平衡位置，电磁铁梁两头因间隙减小，所以两头的电磁力增大，中间间隙增大所以中间电磁力减小，总体上叠加的电磁力减小。但电磁铁梁两端涡流间隙传感器反馈的间隙是减小的，这时通过PD反馈调节会使悬浮力更加减小，这样会使电磁铁梁总体位置低于平衡位置，当梁弯曲振动相位变化180度时情况相反。所以电磁铁梁的振动会引起悬浮力振动，加剧轨道、转向架及悬浮控制的振动耦合，甚至发散。

目前，悬浮间隙传感器设置在电磁铁梁的两端。在整体电磁铁线圈的悬浮控制中，影响电磁铁电流的悬浮间隙距离是电磁铁首末两端的悬浮间隙传感器的平均值，电磁铁作用力的距离是各段电磁铁梁与F轨道的实际垂直距离，两者非同一悬浮间隙距离，电磁铁梁有变形振动时，两者之间存在误差，所以各段实际所受电磁力不相等。

因此如何实现电磁铁梁上的电磁力大小均匀化，从而能够减轻和抑制电磁铁梁的振动，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

基于上述技术难题，本发明提供一种磁浮列车振动控制装置及方法，实现电磁铁梁上的电磁力大小均匀化，从而能够减轻和抑制电磁铁梁的振动。

本发明提供一种磁浮列车振动控制装置，包括电磁铁梁设置在轨道之下，电磁铁梁上设置有若干个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器，悬浮间隙传感器用以测量悬电磁铁极板上表面与轨道之间的悬浮间隙距离。

优选地，所述电磁铁梁上设置有四个电磁铁线圈和五个悬浮间隙传感器，四个电磁铁线圈两两之间均设置有一个悬浮间隙传感器，最前端的电磁铁线圈前侧设置有一个悬浮间隙传感器，最后端的电磁铁线圈后侧设置有一个悬浮间隙传感器。

在提供上述磁浮列车振动控制装置的基础上，本发明还提供了一种磁浮列车，包括上述磁浮列车振动控制装置。

本发明还提供一种磁浮列车振动控制方法，包括以下步骤：

步骤S100：将电磁铁梁均匀分为若干段，每段电磁铁梁上各设置一个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器；

步骤S200：当所有悬浮间隙传感器分别采集其与轨道之间的悬浮间隙距离；

步骤S300：当电磁铁梁不发生自身振动变形时，所有段的电磁铁极板与轨道间的悬浮间隙距离均相等，根据悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离来计算，为了在设定的悬浮目标位置保持动态平衡所要施加的总电磁力；

步骤S400：当电磁铁梁发生自身振动变形时，使得每段电磁铁线圈产生的电磁力相等，并且所有段电磁力叠加总和等于步骤S300中当电磁铁梁不发生自身振动变形时计算得到的总电磁力

步骤S500：根据各段电磁铁线圈应产生的电磁力以及每段电磁铁梁悬浮间隙距离，得到各段电磁铁线圈的驱动电流，分别并用以驱动各段电磁铁线圈。

优选地，所述步骤S500中根据每段电磁铁梁悬浮间隙距离为每段电磁铁梁中心处的悬浮间隙距离，其值等于每段电磁铁梁两端的悬浮间隙传感器所采集悬浮间隙距离的平均值。

优选地，所述步骤S300中电磁铁梁在不发生自身振动变形的总电磁力f_r为：

其中，z₀为悬浮间隙距离设定值，z_c为当电磁铁不发生自身振动变形时，电磁铁梁上设置的悬浮间隙传感器获得测量其与轨道之间的悬浮间隙距离，k_p为悬浮间隙距离PD控制中的比例控制系数，k_d为悬浮间隙距离PD控制中的微分控制系数，

为z_c的变化速率，C₁为系数与铁芯极面积、线圈匝数等有关。

优选地，所述步骤S400中每段电磁铁线圈产生的电磁力为：

f_i＝f_r/n (2)

其中，n为电磁铁梁分段数

优选地，所述步骤S500中每段电磁铁线圈的驱动电流为：

其中，I_i为第i段电磁铁线圈驱动电流，δ_i为第i段电磁铁梁中心处所对应的悬浮间隙距离，z_i、z_i+1分别为第i段电磁铁线圈两端悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离。

增加悬浮间隙传感器数量，并根据每段应施加的电磁力和悬浮间隙距离来计算得到的驱动电流来驱动各段电磁铁线圈，在电磁铁梁有变形振动时，使电磁铁梁的电磁力沿轨道方向均匀化，即电磁铁梁上分布电磁力的大小尽量相等，从而能够减轻和抑制电磁铁梁的振动。

附图说明

图1为磁浮列车的电磁铁梁弯曲振动时受力示意图；

图2为本发明提供的一种磁浮列车振动控制装置的结构框图；

图3为本发明提供的一种磁浮列车振动控制方法的流程图；

图4为本发明提供的一种磁浮列车PD反馈调节和电流闭环控制的原理方框图；

图5为普通悬浮控制策略效果图；

图6为本发明提供的一种磁浮列车振动控制方法的电磁力线性分布悬浮控制策略效果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图2，图2为本发明提供的一种磁浮列车振动控制装置的结构框图。

一种磁浮列车振动控制装置，包括电磁铁梁2设置在轨道1之下，电磁铁梁2上设置有若干个电磁铁线圈3，电磁铁线圈3两端均设置有一个悬浮间隙传感器4，悬浮间隙传感器4用以测量电磁铁梁极板上表面位置6与轨道1之间的悬浮间隙距离。

增加悬浮间隙传感器数量，并根据每段应施加的电磁力和悬浮间隙距离来计算得到的驱动电流来驱动各段电磁铁线圈，在电磁铁梁有变形振动时，使电磁铁梁的电磁力沿轨道方向均匀化，即电磁铁梁上分布电磁力的大小尽量相等，从而能够减轻和抑制电磁铁梁的振动。

优选地，所述电磁铁线圈3为四个和悬浮间隙传感器4为五个。所述四个电磁铁线圈3绕制在电磁铁梁2上，五个悬浮间隙传感器4间隔电磁铁线圈3设置在电磁铁梁2上，四个电磁铁线圈3两两之间均设置有一个悬浮间隙传感器5，最前端的电磁铁线圈3前侧设置有一个悬浮间隙传感器4，最后端的电磁铁线圈3后侧设置有一个悬浮间隙传感器4。悬浮间隙传感器传感器5的顶端位置与电磁铁梁极板上表面位置6在垂直方向齐平，故悬浮间隙传感器4用以测量其所设置之处电磁铁梁极板上表面位置6与轨道1之间的悬浮间隙距离。

电磁铁梁2上悬浮间隙传感器4的安装和电磁铁线圈分布如图2所示。轨道1在最上方，电磁铁梁2有四个电磁铁线圈3，在电磁铁线圈3与电磁铁线圈3之间均安装一个悬浮间隙传感器5，即比原来的悬浮控制系统多增加了3个位置传感器。

本发明还提供了一种磁浮列车，该磁浮列车设有上述磁浮列车振动控制装置，由于上述的磁浮列车振动控制装置具有上述技术效果，具有该磁浮列车振动控制装置的磁浮列车也应具有相应的技术效果，在此不再做详细介绍。

参见图3，图3为本发明提供的一种磁浮列车振动控制方法的流程图。

一种磁浮列车振动控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：将电磁铁梁均匀分为若干段，每段电磁铁梁上各设置一个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器；

步骤S200：所有悬浮间隙传感器分别采集其与轨道之间的悬浮间隙距离；

步骤S300：假设电磁铁梁不发生自身振动变形时，即理想刚体状态时，所有段的电磁铁极板与轨道间的悬浮间隙距离均相等，计算为了使列车在设定的悬浮目标位置保持动态平衡所要施加的总电磁力；

步骤S400：实际工况下，电磁铁梁不是绝对的刚体，自身会发生振动变形，造成电磁铁梁不同位置的悬浮间隙距离不同，最终导致电磁力成非线性。当电磁铁发生自身振动变形时，根据每段悬浮间隙距离计算该段电磁铁线圈应通的电流，使得每段电磁铁线圈产生的电磁力相等，并且所有段电磁力叠加总和等于步骤S300中假设电磁铁梁不发生自身振动变形时即电磁铁梁为刚体时为了在设定的悬浮目标位置保持动态平衡所要施加的计算得到的总电磁力；

步骤S500：根据每段电磁铁线圈应产生的电磁力以及每段电磁铁梁悬浮间隙距离，计算各段电磁铁线圈的驱动电流，分别并用以驱动各段电磁铁线圈。

优选地，所述步骤S500中根据每段电磁铁梁悬浮间隙距离为每段电磁铁梁中心处的悬浮间隙距离，其值等于每段电磁铁梁两端的悬浮间隙传感器所采集悬浮间隙距离的平均值。

增加悬浮间隙传感器数量，以简化的电磁铁梁变形振动模型的受力图为研究对象，将电磁铁梁均匀分为若干段，先计算电磁铁梁在不发生自身振动变形时为了保持平衡的总电磁力。在电磁铁梁有振动变形情况下，各段电磁力叠加总和等于磁铁梁在不发生自身振动变形时为了列车保持平衡的总电磁力，得到各段电磁铁线圈的驱动电流，并用以驱动各电磁铁线圈。使电磁铁梁的电磁力沿轨道方向均匀化，即电磁铁梁上分布电磁力的大小尽量相等，从而能够减轻和抑制电磁铁梁的振动。

参见图4至图6，图4为本发明提供的一种使列车在设定的目标悬浮间隙距离位置保持动态平衡的控制方法的原理方框图，图5为普通悬浮控制策略效果图，图6为本发明提供的一种磁浮列车振动控制方法的电磁力线性分布悬浮控制策略效果图。

以下对上述步骤进一步进行说明。

一种磁浮列车振动控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：将电磁铁梁均匀分为n段，每段电磁铁梁上各设置一个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器；电磁铁梁分段数量越多，即n越大，线性化效果越好。所述n不能无限大，在满足制约条件下，尽可能大。

步骤S200：所有悬浮间隙传感器分别采集其与轨道之间的悬浮间隙距离z_i，i＝1....n+1。

步骤S300：当电磁铁梁不发生自身振动变形时，所有段的电磁铁极板与轨道间的悬浮间隙距离均相等，即z_i＝z_c，根据悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离z_c计算电磁铁梁在不发生自身振动变形时，使列车在设定的目标悬浮间隙距离位置保持动态平衡所需的总电磁力f_r。

其中，z₀为悬浮间隙距离设定值，k_p为悬浮间隙距离PD控制中的比例控制系数，k_d为悬浮间隙距离PD控制中的微分控制系数，

为z_c的变化速率，C₁为系数与铁芯极面积、线圈匝数等有关(也可由实验测出)。

其中，u_n为空气磁导率，A为电磁铁梁极板面积，N为电磁铁线圈匝数。

步骤S400：当电磁铁梁发生自身振动变形时，使得每段电磁铁线圈产生的电磁力f_i相等，并且所有段电磁力叠加总和等于步骤S300中假设电磁铁梁在不发生自身振动变形时使列车在设定的目标悬浮间隙距离位置保持动态平衡所需的总电磁力f_r。

每段电磁铁线圈产生的电磁力为：

f_i＝f_r/n (2)

根据总的电磁力f_r，使电磁铁梁各段的电磁力f_i与总电磁力f_r的n分之一相等，即其他各段的电磁力f_i与自身段的悬浮间隙距离、电磁铁梁的振动变形无关，这样能防止电磁铁梁自身的振动变形与悬浮控制耦合振动，使振动加剧。当没有耦合振动时，电磁铁梁材料具有一定的阻尼，会使电磁铁梁的振动变形衰减消失。

步骤S500：根据S400计算得到的每段电磁铁线圈应产生的电磁力f_i以及每段电磁铁梁悬浮间隙距离δ_i，分别计算得到所有电磁铁线圈的驱动电流I_i，分别并用以驱动各段电磁铁线圈。

其中，I_i为第i段电磁铁线圈驱动电流，δ_i为第i段电磁铁梁中心处所对应的悬浮间隙距离，即每段电磁铁梁两端的悬浮间隙传感器所采集悬浮间隙距离的平均值，z_i、z_i+1分别为第i段电磁铁线圈两端悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离。

根据每段电磁铁线圈产生的电磁力f_i以及每段电磁铁梁悬浮间隙δ_i，求所有段电磁铁线圈的驱动电流I_i。根据各段电磁铁线圈的驱动电流来驱动各电磁力线圈，同时用电流传感器采集电流大小数值进行电流比例微分(PD)内环控制，使实际电流大小能较好的跟随计算各段电磁铁线圈的驱动电流大小，这样能降低控制的滞后性和电磁力误差。

图4中的电磁铁模型的传递函数为：

其中，L为电磁铁电感值，R为线圈电阻，S为复变量，由系统输入输出的微分方程的拉氏变换产生，无实际物理意义。

悬浮转向架动力学模型的传递函数为：

其中，i₀为电磁铁梁在平衡位置(目标位置)时，实验所测得的所需电流，g为重力加速度。

当电磁铁梁不发生自身的振动变形时，根据电磁铁梁悬浮间隙距离位置进行PD反馈控制如图4中的悬浮间隙距离PD反馈控制虚线框所示，求悬浮间隙距离的反馈与设定值的偏差和偏差的变化速率，根据偏差和偏差变化速率，计算当电磁铁梁不发生自身的振动变形时总的电磁力大小f_r，然后用式4所求得的各段电磁铁线圈驱动电流来分别驱动各段电磁铁线圈，因为电磁铁线圈等效为电阻和大电感，电流相位滞后施加在电磁铁两端的电压，所以需加上电流闭环控制，电流闭环控制方式如图4中电流内环PD控制虚线框所示，先求电流传感器采集的实际通过线圈的电流与计算得到的设定电流偏差和偏差的变化率，施加在电磁铁两端的电压值为电流偏差和偏差变化率的线性叠加。这样能使每段电磁铁所产生的电磁力近似相等，当电磁铁变形振动时，电磁铁梁上所产生的电磁力基本均匀，悬浮间隙距离PD反馈控制不会和电磁铁的变形振动产生像图1所示的耦合，而电磁铁梁材料有一定的阻尼，只要激励的中的与电磁铁固有频率相同的力不持续存在，变形振动幅值会慢慢减少，最后趋于稳定。

以下以所述四个电磁铁线圈绕制在电磁铁梁上，五个悬浮间隙传感器间隔电磁铁线圈设置在电磁铁梁上，四个电磁铁线圈两两之间均设置有一个悬浮间隙传感器为例。

步骤S100：将电磁铁梁均匀分为4段。

步骤S200：所有悬浮间隙传感器分别采集其与轨道之间的悬浮间隙距离z_i，i＝1....5。

步骤S300：当电磁铁梁不发生自身振动变形时，所有段的电磁铁极板与轨道间的悬浮间隙距离均相等，即z_i＝z_c＝z₃，根据悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离z₃计算电磁铁梁在不发生自身振动变形的总电磁力f_r。

步骤S400：当电磁铁梁发生自身振动变形时，使得每段电磁铁线圈产生的电磁力f_i相等，并且所有段电磁力叠加总和等于步骤S300中假设电磁铁梁不发生自身振动变形时即电磁铁梁为刚体时为了在设定的悬浮目标位置保持动态平衡所要施加的总电磁力f_r。

每段电磁铁线圈产生的电磁力为：

f_i＝f_r/4 (2)

步骤S500：根据每段电磁铁线圈应产生的电磁力f_i以及每段电磁铁梁悬浮间隙距离δ_i，分别得到所有电磁铁线圈的驱动电流I_i，分别并用以驱动各段电磁铁线圈。

仿真对比图如图5、图6，图中可看出普通悬浮控制策略在48s时会由于电磁铁的自身振动变形与悬浮控制的耦合，发生悬浮间隙距离的发散(不稳定)，而本发明的策略有效的抑制了耦合振动，悬浮间隙距离不会发散，悬浮间隙距离的波动在5％之内，满足悬浮稳定性要求。

以上对本发明所提供的一种磁浮列车振动控制装置及方法、磁浮列车进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种使用磁浮列车振动控制装置的磁浮列车振动控制方法，所述磁浮列车振动控制装置包括电磁铁梁设置在轨道之下，电磁铁梁上设置有若干个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器，悬浮间隙传感器用以测量电磁铁梁极板上表面与轨道之间的悬浮间隙距离，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：将电磁铁梁均匀分为若干段，每段电磁铁梁上各设置一个电磁铁线圈，电磁铁线圈两端均设置有一个悬浮间隙传感器；

步骤S200：所有悬浮间隙传感器分别采集其与轨道之间的悬浮间隙距离；

步骤S300：当电磁铁梁不发生自身振动变形时，所有段的电磁铁极板与轨道间的悬浮间隙距离均相等，根据悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离来计算，为了在设定的悬浮目标位置保持动态平衡所要施加的总电磁力；

步骤S400：当电磁铁梁发生自身振动变形时，使得每段电磁铁线圈产生的电磁力相等，并且所有段电磁力叠加总和等于步骤S300中当电磁铁不发生自身振动变形时计算得到的总电磁力；

步骤S500：根据每段电磁铁线圈应产生的电磁力以及每段电磁铁梁悬浮间隙距离，得到各电磁铁线圈的驱动电流，分别并用以驱动各段电磁铁线圈。

2.根据权利要求1所述的磁浮列车振动控制方法，其特征在于，所述步骤S500中每段电磁铁梁悬浮间隙距离为每段电磁铁梁中心处的悬浮间隙距离，其值等于每段电磁铁梁两端的悬浮间隙传感器所采集悬浮间隙距离的平均值。

3.根据权利要求2所述的磁浮列车振动控制方法，其特征在于，所述步骤S300中电磁铁梁在不发生自身振动变形的总电磁力f_r为：

其中，z₀为悬浮间隙距离设定值，z_c为当电磁铁不发生自身振动变形时，电磁铁梁上设置的悬浮间隙传感器获得测量其与轨道之间的悬浮间隙距离，k_p为悬浮间隙距离PD控制中的比例控制系数，k_d为悬浮间隙距离PD控制中的微分控制系数，

为z_c的变化速率，C₁为系数与铁芯极面积、线圈匝数等有关。

4.根据权利要求3所述的磁浮列车振动控制方法，其特征在于，所述步骤S400中每段电磁铁线圈产生的电磁力为：

f_i=f_r/n (2)

其中，n为电磁铁梁分段数。

5.根据权利要求4所述的磁浮列车振动控制方法，其特征在于，所述步骤S500中每段电磁铁线圈的驱动电流为：

其中，I_i为第i段电磁铁线圈驱动电流，δ_i为第i段电磁铁梁中心处所对应的悬浮间隙距离，z_i、z_i+1分别为第i段电磁铁线圈两端悬浮间隙传感器采集的悬浮间隙距离。

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