CN110614924B - 常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法及系统 - Google Patents

常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法及系统，采用如下公式计算悬浮电磁铁的电感参数：
Figure DDA0002147115230000011
其中，N为悬浮电磁铁线圈匝数；i为悬浮电磁铁电流；S为悬浮电磁铁磁极面积；F为悬浮力；μ0为真空磁导率。本发明提出的电感参数辨识方法，充分考虑的漏磁、铁芯磁阻以及磁饱和的影响，可获取准确的电感参数，而且在悬浮系统工作过程中，通过控制器内部软件实现查表，在通过插值计算即可在线获取，易于实现。

Description

常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法及系统
技术领域
本发明涉及磁浮列车，特别是一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法及系统。
背景技术
常导磁浮列车的悬浮系统包括悬浮传感器、悬浮控制器和悬浮电磁铁。悬浮传感器实时检测悬浮电磁铁与轨道之间的悬浮间隙并将间隙信号发送给悬浮控制器，悬浮控制器根据间隙信号实时调整悬浮电磁铁线圈中的电流，调节悬浮电磁铁产生的电磁力，从而控制悬浮电磁铁与轨道保持稳定的悬浮间隙。
悬浮电磁铁的电感参数是悬浮控制器所需要的重要参数，在悬浮系统工作中，需要根据实际的电感参数对悬浮控制算法和数字电流环算法的控制参数进行调整，以达到快速的电流响应和稳定的悬浮控制效果。
实际中，悬浮电磁铁的电感随电流和悬浮间隙变化，由于电流和悬浮间隙变化范围较大，电感的变化范围也较大。现有获取电感参数的方法有三种：一种是通过近似公式计算，这种方法由于忽略了漏磁、磁饱和等因素的影响，准确度较差；第二种是采用电磁场有限元分析获取，该方法在一定程度上考虑漏磁和磁饱和的影响，因此比第一种方法的精度要高，但经过实践验证，该方法尚有10～ 20％的误差；第三种方法是在悬浮控制器输出的电压信号中再叠加一个脉冲宽度调制(PWM)信号，通过检测一个PWM周期内的电压、电流信息，计算电感参数，该方法需要从控制器输出中提取出叠加PWM引起的电流信号，难度较大，另外，由于叠加了额外的信号，对悬浮控制器斩波器的开关造成一定干扰，且增加悬浮控制器输出噪声，对控制效果有不利影响。
以图1所示的电磁铁简化模型为分析对象，若忽略漏磁以及电磁铁铁心和导轨的磁阻，同时忽略铁芯的磁饱和效应，则，气隙磁通为：
Figure GDA0002821935710000011
气隙磁密为：
Figure GDA0002821935710000012
电磁铁的电感则为：
Figure GDA0002821935710000021
上述式中，Φm为气隙磁通，Bm为气隙磁密，Fm为磁动势，Rm为气隙磁阻， N为电磁铁线圈匝数，S为电磁铁磁极面积，i为电磁铁电流，δ为悬浮间隙，μ0为真空磁导率，L为电磁铁电感。
由式(3)可看出，忽略漏磁、磁饱和等因素，推导出的电感公式只与悬浮间隙有关，而实际中由于漏磁和磁饱和的影响，当电流变化时，电磁铁的漏磁和磁饱和情况也不同，因此实际中，电感是和悬浮间隙以及电流同时有关。
采用电磁场三维有限元分析，可在一定程度上反映漏磁和磁饱和等因素的影响，由图2也可以看出电感并非像式(3)只与悬浮间隙相关，而是和悬浮间隙以及电流同时有关的。
然而，有限元分析虽然在一定程度上考虑了漏磁和磁饱和等因素，但与实际情况尚存在差距，通过试验证明，有限元分析结果与试验数据尚存在10％～20％的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法及系统，在线、准确地辨识悬浮电磁铁的电感参数。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法，采用如下公式计算悬浮电磁铁的电感参数：
Figure GDA0002821935710000022
其中，N为悬浮电磁铁线圈匝数；i为悬浮电磁铁电流；S为悬浮电磁铁磁极面积；F为悬浮力；μ0为真空磁导率。
获取悬浮间隙δ和电流i，并利用线性插值方法确定所述悬浮力。
悬浮力F＝F(δ,i)；
Figure GDA0002821935710000031
δ(x+1)；i(y)≤i≤i(y+1)；1≤x≤m-1；1≤y≤n-1；δ为悬浮间隙，i为电流，F为悬浮力，m为悬浮间隙数据的数量，n为电流数据的数量，δ(x)为第x个悬浮间隙数据，δ(x+1)为第x+1个悬浮间隙数据，i(y)为第y个电流数据，i(y+1)为第y+1个电流数据，F(x,y)为第x个悬浮间隙数据和第y个电流数据对应的悬浮力，F(x+1,y)为第x+1个悬浮间隙数据和第y个电流数据对应的悬浮力， F(x+1,y+1)为第x+1个悬浮间隙数据和第y+1个电流数据对应的悬浮力， F(x,y+1)为第x个悬浮间隙数据和第y+1个电流数据对应的悬浮力。
一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识系统，包括：
悬浮传感器，用于实时采集悬浮电磁铁与导轨之间的磁浮间隙，并将所述磁浮间隙发送给磁浮控制器；
磁浮控制器，内部安装有用于实时采集悬浮电磁铁电流的电流传感器，用于根据下式计算悬浮力F＝F(δ,i)：
Figure GDA0002821935710000032
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出的电感参数辨识方法，充分考虑的漏磁、铁芯磁阻以及磁饱和的影响，可获取准确的电感参数，而且在悬浮系统工作过程中，通过控制器内部软件实现查表，在通过插值计算即可在线获取，易于实现。
附图说明
图1为电磁铁简化分析模型；
图2为某一中低速磁浮列车悬浮电磁铁电感参数有限元分析结果；
图3为本发明线性插值方法分析图。
具体实施方式
下面介绍本发明的分析过程与基本步骤。
由于忽略了漏磁和磁饱和，式(1)～式(3)中第二步的推导过程会引起计算误差，为了保证准确性，保留式(2)～式(3)中第一步推导得：
Figure GDA0002821935710000041
悬浮力与气隙磁密的关系为：
Figure GDA0002821935710000042
将式(5)带入式(4)得：
Figure GDA0002821935710000043
悬浮电磁铁的电感参数不便直接测量，但悬浮电磁铁与导轨之间的电磁吸力 (即悬浮力)，是可以通过专用的试验装置获取的。在悬浮系统工作过程中，将悬浮间隙、电流和悬浮力的关系数据表存储在控制器内部，通过传感器获取悬浮间隙和电流后，查表并配合使用插值方法即可实时获得悬浮力，再通过式(6) 即可计算出悬浮电磁铁的电感。
综上所述，本发明提出的常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法，包括如下步骤：
(a)通过试验获取悬浮间隙、悬浮电磁铁电流与悬浮力的关系数据表；
(b)通过悬浮传感器获取悬浮电磁铁的悬浮间隙；
(c)通过电流传感器获取悬浮电磁铁的电流；
(d)通过上述悬浮间隙和电流以及上述关系数据表，结合插值方法获取悬浮力；
(e)通过上述获取的悬浮力，按照计算式
Figure GDA0002821935710000044
计算得悬浮电磁铁的电感参数。
图1为电磁铁简化分析模型，电磁铁的线圈通入电流后，会与轨道产生电磁吸力，即为悬浮力，电磁铁与轨道之间的间隙为悬浮间隙。
图2为采用电磁场有限元分析方法获得的，某一中低速磁浮列车悬浮电磁铁的电感参数分析结果，可以看出电感参数与悬浮间隙和电流同时有关。
图3为基于表1试验数据进行线性插值的分析图，F(δ,i)为当前悬浮间隙δ和电流i下的悬浮力，可通过几何关系计算获得。
表1为通过专用的试验装置获取的，悬浮间隙δ、电流i与悬浮力F的关系数据表。
表1悬浮间隙δ、电流i与悬浮力F的非线性关系数据表
Figure GDA0002821935710000051
下面对本发明的工作过程做进一步描述。
(a)通过试验获取悬浮间隙、悬浮电磁铁电流与悬浮力的关系数据表；
如表1所示，其中i(1)～i(n)为电流数据点，δ(1)～δ(m)为悬浮间隙数据点，F(1,1)～F(m,n)为悬浮力数据点。
此关系数据表的数据，可预先存储在悬浮控制器内部。
(b)通过悬浮传感器获取悬浮电磁铁的悬浮间隙；
悬浮系统在工作过程中，悬浮传感器实时采集悬浮电磁铁与导轨之间的悬浮间隙，并以电信号的形式发送给悬浮控制器，因此悬浮控制器中可实时获取悬浮间隙信号。
(c)通过电流传感器获取悬浮电磁铁的电流；
悬浮控制器内部安装有电流传感器，可实时采集悬浮电磁铁的电流，因此电流也是可以实时获取的信号。
(d)通过上述悬浮间隙和电流以及上述关系数据表(表1)，结合插值方法获取悬浮力；
悬浮控制器获取到当前的悬浮间隙δ和电流信号i后，在上述关系数据表的基础上，可采用线性插值方法，进一步确定此时的悬浮力F(δ,i)。
结合图3和表1所示，首先需要确定δ和i的范围，即确定δ(x)≤δ≤δ(x+1) (1≤x≤m-1)和i(y)≤i≤i(y+1)(1≤x≤n-1)式中的δ(x)、δ(x+1)、i(y)、i(y+1)，然后由几何关系可得：
Figure GDA0002821935710000061
(e)通过上述获取的悬浮力F＝F(δ,i)，按照计算式
Figure GDA0002821935710000062
计算得悬浮电磁铁的电感参数L。

Claims (2)

1.一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识方法，其特征在于，采用如下公式计算悬浮电磁铁的电感参数：
Figure FDA0002821935700000011
其中，N为悬浮电磁铁线圈匝数；i为悬浮电磁铁电流；S为悬浮电磁铁磁极面积；F为悬浮力；μ0为真空磁导率；
获取悬浮间隙δ和电流i，并利用线性插值方法确定所述悬浮力；悬浮力F＝F(δ,i)；
Figure FDA0002821935700000012
；δ(x)≤δ≤δ(x+1)；i(y)≤i≤i(y+1)；1≤x≤m-1；1≤y≤n-1；δ为悬浮间隙，i为电流，F为悬浮力，m为悬浮间隙数据的数量，n为电流数据的数量，δ(x)为第x个悬浮间隙数据，δ(x+1)为第x+1个悬浮间隙数据，i(y)为第y个电流数据，i(y+1)为第y+1个电流数据，F(x,y)为第x个悬浮间隙数据和第y个电流数据对应的悬浮力，F(x+1,y)为第x+1个悬浮间隙数据和第y个电流数据对应的悬浮力，F(x+1,y+1)为第x+1个悬浮间隙数据和第y+1个电流数据对应的悬浮力，F(x,y+1 )为第x个悬浮间隙数据和第y+1个电流数据对应的悬浮力。
2.一种常导磁浮列车悬浮电磁铁电感参数的在线辨识系统，其特征在于，包括：
悬浮传感器，用于实时采集悬浮电磁铁与导轨之间的磁浮间隙，并将所述磁浮间隙发送给磁浮控制器；
磁浮控制器，内部安装有用于实时采集悬浮电磁铁电流的电流传感器，用于根据下式计算悬浮力F＝F(δ,i)：
Figure FDA0002821935700000021
；其中，δ(x)≤δ≤δ(x+1)；i(y)≤i≤i(y+1)；1≤x≤m-1；1≤y≤n-1；δ为悬浮间隙，i为电流，F为悬浮力，m为悬浮间隙数据的数量，n为电流数据的数量，δ(x)为第x个悬浮间隙数据，δ(x+1)为第x+1个悬浮间隙数据，i(y)为第y个电流数据，i(y+1)为第y+1个电流数据，F(x,y)为第x个悬浮间隙数据和第y个电流数据对应的悬浮力，F(x+1,y)为第x+1个悬浮间隙数据和第y个电流数据对应的悬浮力，F(x+1,y+1)为第x+1个悬浮间隙数据和第y+1个电流数据对应的悬浮力，F(x,y+1 )为第x个悬浮间隙数据和第y+1个电流数据对应的悬浮力。
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