CN110155099A - 磁浮车辆控制系统 - Google Patents

Abstract

一种磁浮车辆控制系统，应用于磁浮车辆技术领域，包括：摆杆悬挂系统、侧向可变阻尼缓冲支撑系统、摆杆悬挂反馈控制系统和前馈系统，摆杆悬挂系统包括摇枕、摆杆和摆杆橡胶支撑，摆杆通过球铰方式与摇枕和摆杆橡胶支撑连接，侧向可变阻尼缓冲支撑系统包括摇枕、横向磁流变阻尼器和侧向支撑座，横向磁流变阻尼器与摇枕和侧向支撑座以球铰方式连接，反馈控制系统包括控制器、固定在摇枕上的倾角传感器、固定在摆杆上的摆杆称重传感器、固定在侧向支撑座和摇枕上的加速度传感器，前馈系统包含前述控制器、导向电磁铁的间隙传感器和悬浮电磁铁的间隙传感器，控制器根据传感器输入，计算输出至阻尼器的控制电流，消减振动。

Description

磁浮车辆控制系统

技术领域

本发明涉及磁浮车辆技术领域，尤其涉及一种磁浮车辆控制系统。

背景技术

车辆的横向振动与车速和轨道的长波平顺性成正相关。高速磁浮交通系统的载客运行速度高、转弯半径小和弯道通过速度高，决定了高速磁浮交通系统对车辆平稳性的要求高于其他车辆。

现有的高速磁浮交通系统在全速运行、小半径转弯、轨道梁沉降不均等极端条件综合下，车内乘客感知的横向振动加速度和振动幅值较大，舒适性体验不佳。现有的车辆悬挂系统采用橡胶弹簧被动横向减振策略。橡胶弹簧被动减振阻尼和刚度已确定，对来于电磁铁与轨道间的振动减振能力不足，响应频段窄，减振能力有限。同时橡胶材料的阻尼和刚度易受环境温度和老化等因素影响而削弱横向减振能力。

相比被动减振系统外，减振能力较佳方式的有主动减振、半主动减振。高速磁浮交通系统要求在振动控制系统完全失效后依靠物理规律依然能保证车辆的安全。因此，从安全的角度上考虑，结构复杂、能量消耗大、失效后可能失稳、安全性难保证的主动振动控制较难满足高速磁浮交通系统的安全要求。适合高速磁浮交通系统的理想振动控制方法是半主动振动控制。半主动振动控制采用磁流变等智能材料的变阻尼器减振器具有明显的优势。

磁流变材料是一种可以通过外置或嵌入内置磁场控制其阻尼和刚度的智能材料，其刚度和阻尼可在毫秒时间内无级变化调节，是半主动控制的理想材料。

由于磁浮车辆的运行速度快，振动变化快，要求阻尼器对振动反应快，因此对控制器的信号滞后要求高。如果能将车轨耦合的横向振动提前预测和前馈反应给控制器，有利于控制横向振动，减低对控制系统延迟的要求。

单节磁浮车辆的走行部有8对共计16点悬挂，车辆走行部与轨道面是面和面之间的耦合关系，车厢自身可视为有限长薄圆筒，16点悬挂前后左右相互影响和干扰，是相互之间耦合的柔性系统。因此，决定了磁浮车辆的悬挂振动控制系统与其他类型的车辆振动控制系统差异较大且更为复杂，决定了各个悬挂点的阻尼力不能按其他交通工具解耦方式处理。

此外，高速磁浮车辆运行时与地面处于相对浮动状态，相比其他与地面接触的交通系统，车辆的空间姿态确定相对困难，需要用车辆零部件之间的相对位置关系来确定悬挂点上下走行机构和车厢之间的相对运动趋势，进而通过对阻尼器参数的控制达到减轻车厢振动的目的。

综上所述，现有技术存在的技术问题是：

(1)现有的磁浮车辆的横向减振系统是一种被动性减振系统，适应多变的线路系统能力弱，减振能力有限，频率响应范围窄，乘客体验欠佳。

(2)由于磁浮系统的多悬挂点之间的高度耦合，以及磁浮车辆悬挂系统的结构不同，现有的其他行业单点解耦方式半主动悬挂减振控制系统不能应用于高速磁浮系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁浮车辆控制系统，可解决上述至少一种技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种磁浮车辆控制系统，包括：

摆杆悬挂系统、侧向可变阻尼缓冲支撑系统和摆杆悬挂反馈控制系统；

所述摆杆悬挂系统包括摇枕、摆杆和摆杆橡胶支撑，所述摆杆通过关节轴承球铰接方式与所述摇枕和所述摆杆橡胶支撑连接；

所述侧向可变阻尼缓冲支撑系统包括所述摇枕、横向磁流变阻尼器和侧向支撑座，所述横向磁流变阻尼器与所述摇枕和所述侧向支撑座分别以关节轴承球铰方式连接；

所述反馈控制系统包括磁流变控制器、固定在所述摇枕上的倾角传感器、固定在所述摆杆上的摆杆称重传感器、固定在所述侧向支撑座和所述侧向支撑座相连的横向磁流变阻尼器对应的摇枕上的各一个加速度传感器，所述磁流变控制器根据所述倾角传感器、摆杆称重传感器和所述两个加速度传感器的数据，计算出输出至所述横向磁流变阻尼器的控制电流。

进一步地，所述磁浮车辆控制系统还包括轨道、悬浮电磁铁、橡胶一系簧、导向电磁铁、横梁托臂模块，所述轨道在不平顺条件下经过车轨耦合产生的振动，经悬浮电磁铁、橡胶一系簧和导向电磁铁共同传递至横梁托臂模块。

进一步地，所述导向电磁铁和所述悬浮电磁铁上均安装有间隙传感器；

所述磁流变控制器根据所述间隙传感器的信号，结合预置的悬浮导向控制策略，预测磁浮车辆的横向振动加速度的方向和大小，并计算前馈控制电流，加载所述控制电流在所述横向磁流变阻尼器的磁场线圈上。

进一步地，所述系统还包括多套上述传感器，所述传感器对称设置在磁浮车辆的两侧，所述磁流变控制器根据所述多套上述传感器的信号及计算出的所述磁浮车辆的运行状态，按照所述磁车辆以平滑曲线变形要求，将所述磁浮车辆的侧向载荷分别分配给所述各点横向磁流变阻尼器，并控制各点横向磁流变阻尼器的刚度和阻尼。

进一步地，所述横向磁流变阻尼器为磁流变液变阻尼减振器，所述的阻尼器刚度值在1.8E5牛每米(N/m)至2.2E5牛每米(N/m)之间。

进一步地，所述横向磁流变阻尼器为磁流变弹性体变阻尼减振器，所述的阻尼器刚度值在1.8E5牛每米(N/m)至2.2E5牛每米(N/m)之间。

进一步地，所述磁流变控制器控制所述横向磁流变阻尼器衰减中频振动和衰减低频振动。

进一步地，所述系统还包括摆杆下扭转磁流变阻尼器，所述摆杆与所述摆杆橡胶支撑之间采用所述摆杆下扭转磁流变阻尼器的磁流变周向变阻尼关节轴承连接。

进一步地，所述系统还包括摆杆上扭转磁流变阻尼器，所述摆杆与所述摇枕之间采用所述摆杆上扭转磁流变阻尼器的磁流变周向变阻尼关节轴承连接。

进一步地，所述磁流变控制器控制所述摆杆采用摆杆下扭转磁流变阻尼器和所述摆杆上扭转磁流变阻尼器衰减低频振动。

进一步地，所述磁流变控制器控制所述摆杆采用摆杆下扭转磁流变阻尼器和所述摆杆上扭转磁流变阻尼器衰减低频振动，控制所述横向磁流变阻尼器衰减中频振动。

本发明实施例可达到以下有益效果：

(1)通过改变磁流变阻尼器阻尼的控制和刚度，控制车辆的横向振动，减少了人体敏感的1-80赫兹(Hz)的横向振动，尤其是减少人体敏感程度最大1-26赫兹(Hz)的横向振动。

(2)控制车辆的横向振动减少了车辆横向振动对导向系统的干扰量，提高了车辆通过曲线段的能力和安全性。

(3)结构控制简单可靠，冗余高，对原有设计的改动小，安全性高，维护性好，且在半主动控制振动系统全部失效极端情况下，依然保留原始设计的被动振动减振能力。

(4)在高速磁浮交通系统时进一步提速，如时速600千米每小时(km/h)，或时速超过600千米每小时(km/h)的真空管道磁浮车辆系统中，维持车内良好的乘客舒适度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的磁浮车辆控制系统中单节车厢16个悬挂点中的单个点悬挂的功能示意图；

图2是本发明实施例提供的磁浮车辆控制系统中横向磁流变阻尼器与摇枕和侧向支撑座的连接示意图；

图3是本发明实施例提供的磁浮车辆控制系统中摆杆下扭转磁流变阻尼器、摆杆上扭转磁流变阻尼器连接和横向磁流变阻尼器的连接示意图；

图4是本发明实施例提供的磁浮车辆控制系统中单节车厢中16个悬挂点的分布示意图；

图5是本发明实施例提供的磁浮车辆控制系统中摆杆下扭转磁流变阻尼器、摆杆上扭转磁流变阻尼器连接和侧向辅助支撑的连接示意图。

以上附图中，包括：轨道1，悬浮电磁铁2，橡胶一系簧3，导向电磁铁4，横梁托臂模块5，摇枕6，摆杆7，侧向支撑座8，横向磁流变阻尼器9，摆杆橡胶支撑10，摆杆下扭转磁流变阻尼器11，摆杆上扭转磁流变阻尼器12，空气二系簧13，横向辅助弹簧14，悬浮间隙传感器21，导向间隙传感器22，倾角传感器31、摆杆称重传感器32，加速度传感器41，加速度传感器42，磁流变控制器51。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供的磁浮车辆控制系统中单节车厢16个悬挂点中的单点悬挂的功能示意图，该磁浮车辆控制系统主要包括：摆杆悬挂系统、侧向可变阻尼缓冲支撑系统和摆杆悬挂反馈控制系统。

摆杆悬挂系统包含摇枕6，摆杆7、摆杆橡胶支撑10；

侧向可变阻尼缓冲支撑系统包括摇枕6、横向磁流变阻尼器9、侧向支撑座8。

摆杆悬挂反馈控制系统包含加速度传感器41，加速度传感器42，、倾角传感器31、摆杆称重传感器32和磁流变控制器51。

磁浮车辆控制系统还包括轨道1，轨道1在不平顺条件下经过车轨耦合产生悬浮电磁铁2、橡胶一系簧3和导向电磁铁4共同传递给横梁托臂模块5。

磁流变控制器51根据安装在导向电磁铁4上的间隙传感器22、安装在悬浮电磁铁2上的间隙传感器21的信号，结合预置的悬浮导向控制策略，预测磁浮车辆的横向振动加速度的方向和大小，并计算控制电流，加载所述控制电流在横向磁流变阻尼器9的磁场线圈上，以使磁流变控制器51控制横向磁流变阻尼器9衰减振动。

在本发明实施例中，横梁托臂模块5与摇枕6通过平面铰接方式连接，摇枕6与摆杆7、摆杆7和摆杆橡胶支撑10用球面铰接连接，摆杆橡胶支撑10与侧向连接为刚性连接，如图2所示，横向磁流变阻尼器9与摇枕6和侧向支撑之间是球铰连接，磁流变控制器51控制横向磁流变阻尼器9衰减振动。

轨道1的在不平顺条件下经过车轨耦合产生的振动经悬浮电磁铁2、橡胶一系簧3和导向电磁铁4，传递至横梁托臂模块5，经过铰接点传递给摇枕6，摇枕6的纵向振动经安装在横梁托臂模块5上的空气二系簧13减振。

请参阅图2，本发明实施例所涉及的横向振动主要部分由摇枕6通过横向磁流变阻尼器9传递给侧向支撑座8后刚性传递给车厢。横向振动部分振动由摇枕6传递给摆杆7，通过摆杆橡胶支撑10减振后传递侧向支撑座8后刚性传递给车厢。

可理解的，摇枕6上的倾角传感器31将车辆走行部的轨道横坡角信号经信号调理后反馈磁流变控制器51，磁流变控制器51计算出整个车辆的空间姿态，结合摆杆称重传感器32，计算出当前状态下车辆的质量M。

悬浮间隙传感器21，导向间隙传感器22将悬浮电磁铁2、导向电磁铁4与轨道1间的间隙信号经调理后反馈给磁流变控制器51，磁流变控制器51根据间隙信号与理想值之间的差值判断出下一步的振动加速度值，计算出横向磁流变阻尼器9的磁场电流值预估计值。

与单个横向磁流变阻尼器9相连的摇枕6的加速度传感器41，与单个横向磁流变阻尼器9相连的侧向支撑座8的加速度传感器42，将摇枕6和侧向支撑座8之间的相对运动加速度反馈给磁流变控制器51。

磁流变控制器51根据前述所获得车辆的质量M、导向间隙传感器、悬浮间隙传感器和相对加速度计算出最佳的阻尼和刚度值，通过驱动器转换成横向磁流变阻尼器9的磁场电流值，控制磁流变材料的阻尼和刚度，进而消减振动。

请参阅图3，本发明所涉及的横向振动主要振动由摇枕6经摆杆上扭转磁流变阻尼器12、摆杆下扭转磁流变阻尼器11通过摆杆橡胶支撑10减振后传递侧向支撑后刚性传递给车厢，摆杆下扭转磁流变阻尼器11、摆杆上扭转磁流变阻尼器12为磁流变周向变阻尼关节轴承。从振动的衰减效果出发，摆杆下扭转磁流变阻尼器11衰减低频振动，主要指1-26赫兹(Hz)的振动，摆杆上扭转磁流变阻尼器12衰减中频振动，主要指26-80赫兹(Hz)的振动。

请参阅图2和图3，横向振动的主要的振动由摇枕6通过横向磁流变阻尼器9传递给侧向支撑后刚性传递给车厢，部分振动由摇枕6、摆杆下扭转磁流变阻尼器11通过摆杆橡胶支撑10减振后传递侧向支撑后刚性传递给车厢，摆杆下扭转磁流变阻尼器11为磁流变周向变阻尼关节轴承。从振动的衰减效果出发，摆杆下扭转磁流变阻尼器11衰减低频振动，主要指1-26赫兹(Hz)的振动，横向磁流变阻尼器9衰减中频振动，主要指26-80赫兹(Hz)的振动。

可理解的，磁流变控制器51根据前述所获得质量M、导向间隙传感器、悬浮间隙传感器和相对加速度计算出最佳的阻尼和刚度值，通过驱动器转换成横向磁流变阻尼器9、摆杆下扭转磁流变阻尼器11的磁场电流值，控制磁流变材料的阻尼和刚度，进而消减振动。

请参阅图2、图3和图4，在本发明实施例中，多个传感器的数量以8对为例，对称分布在车厢两侧。单节车厢前后8对16个悬挂点全部设置了磁流变阻尼器8，阻尼器与摇枕6和侧向支撑座8之间采用球铰连接，可以适应空间自由度相对位置变化。当车辆行进在弯道时，从轨道1至摇枕6之间的走行机构为了适应轨道产生水平面弯曲和纵向扭转。磁流变控制器51分级控制，根据8对16个摇枕6上的加速度传感器41、侧向支撑座8的加速度传感器42、摇枕6上倾角传感器31测量值，上层采用人工神经网络控制策略分配各个悬挂点的变形量，使车厢变形走行机构变形协调一致，下层单个悬挂点采用天棚阻尼控制算法控制单个阻尼器的阻尼力。

更多的，如图4所示，车辆8对悬挂点中2A、2B、3A、3B、6A、6B、7A、7B，总计4对8个悬挂点设置横向磁流变阻尼器9，或者，车辆8对悬挂点中1A、1B、4A、4B、5A、5B、8A、8B，总计4对8个悬挂点设置横向磁流变阻尼器9。

进一步地，本发明实施例的横向磁流变阻尼器9是磁流变液阻尼器。

进一步地，本发明实施例的横向磁流变阻尼器9是磁流变弹性体阻尼器。

进一步地，本发明实施例的横向磁流变阻尼器9的刚度值可通过调整磁场控制，优选的，为1.8E5牛每米(N/m)至2.2E5牛每米(N/m)之间。

请参阅图5，横向辅助弹簧14为安全零件，对系统的安全性有保护作用，当且仅当设置2A、2B、3A、3B、6A、6B、7A、7B点位或1A、1B、3A、3B、4A、4B、8A、8B点位的横向磁流变阻尼器9或完全不设置时，在相应的空点位不设置或设置。

本发明实施例可达到以下有益效果：

(1)通过改变磁流变阻尼器阻尼的控制和刚度，控制车辆的横向振动，减少了人体敏感的1-80赫兹(Hz)的振动幅值及其振动加速度值，尤其是减少人体敏感程度最大1-26赫兹(Hz)的横向振动幅值及其振动加速度值。

(2)控制车辆的横向振动减少了车辆横向振动对导向系统的干扰量，提高了车辆通过曲线段的能力和安全性。

(3)结构控制简单可靠，冗余高，对原有设计的改动小，安全性高，维护性好，且在半主动控制振动系统全部失效极端情况下，依然保留原始设计的被动振动控制能力。

(4)在高速磁浮交通系统时进一步提速，如时速600千米每小时(km/h)，或时速超过600千米每小时(km/h)的真空管道磁浮系统中，维持车内良好的乘客舒适度。

以上为对本发明所提供的磁浮车辆控制系统的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种磁浮车辆控制系统，其特征在于，包括：

摆杆悬挂系统、侧向可变阻尼缓冲支撑系统和摆杆悬挂反馈控制系统；

所述摆杆悬挂系统包括摇枕、摆杆和摆杆橡胶支撑，所述摆杆通过关节轴承球铰接方式与所述摇枕和所述摆杆橡胶支撑连接；

所述侧向可变阻尼缓冲支撑系统包括所述摇枕、横向磁流变阻尼器和侧向支撑座，所述横向磁流变阻尼器与所述摇枕和所述侧向支撑座分别以关节轴承球铰方式连接；

所述反馈控制系统包括磁流变控制器、固定在所述摇枕上的倾角传感器、固定在摆杆上的摆杆称重传感器和固定在所述侧向支撑座和所述对应摇枕上的两个加速度传感器，所述磁流变控制器根据所述倾角传感器、所述称重传感器和所述两个加速度传感器的数据，计算出输出至所述横向磁流变阻尼器的控制电流。

2.根据权利要求1所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述磁浮车辆控制系统还包括轨道、悬浮电磁铁、橡胶一系簧、导向电磁铁、横梁托臂模块，所述轨道的不平顺通过车轨耦合经所述悬浮电磁铁、橡胶一系簧和导向电磁铁共同传递至所述横梁托臂模块。

3.根据权利要求2所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述导向电磁铁和所述悬浮电磁铁上均安装有间隙传感器；

所述磁流变控制器根据所述间隙传感器的信号，结合预置的悬浮导向控制策略，预测磁浮车辆的横向振动加速度的方向和大小，并计算控制电流，加载所述控制电流在所述横向磁流变阻尼器的磁场线圈上。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述系统还包括多套传感器，所述传感器对称设置在车辆的两侧，所述磁流变控制器根据所述多套传感器的信号和所述车辆的运行状态，按照车厢平滑曲线变形要求，控制所述各点横向磁流变阻尼器的侧向载荷、刚度和阻尼。

5.根据权利要求4所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述横向磁流变阻尼器刚度值在1.8E5牛每米至2.2E5牛每米之间。

6.根据权利要求5所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述系统还包括摆杆下扭转磁流变阻尼器，所述摆杆与所述摆杆橡胶支撑之间采用所述摆杆下扭转磁流变阻尼器的周向变阻尼关节轴承连接。

7.根据权利要求6所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述系统还包括摆杆上扭转磁流变阻尼器，所述摆杆与所述摇枕之间采用所述摆杆上扭转磁流变阻尼器的周向变阻尼关节轴承连接。

8.根据权利要求6所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述磁流变控制器控制所述横向磁流变阻尼器衰减中频振动和控制所述摆杆下扭转磁流变阻尼器衰减低频振动。

9.根据权利要求7所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述磁流变控制器控制所述摆杆上扭转磁流变阻尼器和摆杆下扭转磁流变阻尼器衰减低频振动、所述磁流变控制器控制所述横向磁流变阻尼器衰减中频振动。

10.根据权利要求4所述的磁浮车辆控制系统，其特征在于，所述预置的横向振动控制策略包括预置的人工神经网络控制策略和预置的天棚阻尼控制算法；

所述预置的天棚阻尼控制算法控制单个阻尼器的阻尼力；

所述预置的人工神经网络控制策略控制所述摆杆悬挂系统中各个悬挂点的变形量。