CN112297864B - 一种电磁力反馈的悬浮控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，包括如下步骤：步骤1、获取悬浮装置的实际间隙信号g、实际电流值i和直流母线电压u_d，获取提前设定的给定间隙信号g^*；步骤2、根据所述给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g计算所需要的给定悬浮力F^*；步骤3、根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i观测实际悬浮力F；步骤4、根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F计算所需要的给定电流值i^*；步骤5、根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算所需要的给定输出电压值u^*；步骤6、根据所述给定输出电压值u^*和直流母线电压u_d生成所需要的门极驱动信号u_k从而控制悬浮电磁铁保持理想的悬浮状态。

Description

一种电磁力反馈的悬浮控制方法及系统

技术领域

本发明涉及磁浮列车，特别涉及一种常导电磁吸力悬浮型磁浮列车悬浮控制方法及系统。

背景技术

与轮轨列车相比，磁悬浮列车具有噪声低、污染小、平稳舒适等特点。磁悬浮列车的车体与轨道之间不直接接触，因此磁浮列车无轮轨粘着问题，其爬坡能力强，且速度也可以更快。悬浮系统是磁浮列车的关键和核心子系统，高性能的悬浮控制是列车正常运行的基础。目前实际工程中应用最广泛的是“气隙-电流”反馈的控制方式，也就是外环采用间隙环，即根据给定间隙和反馈间隙计算所需要的悬浮电流，内环采用电流环，即根据间隙环输出的悬浮电流和悬浮电磁铁的实际电流计算电磁铁两端所需要的电压。这种方法在工程应用中取得了较好的效果，但是该方法本质上是一种局部线性化方法。当系统受到较大的外界扰动时，悬浮间隙与额定悬浮间隙将存在较大偏差，此时系统模型和控制器中使用的模型存在较大偏差，从而使传统“间隙外环，电流内环”双环控制算法的控制性能下降甚至出现系统发散的情况，因此有必要寻找更优的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的是：提供一种稳定性好、鲁棒性强、参数调整较为容易，具有实际应用价值的悬浮控制方法及其系统。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，包括如下步骤：

步骤1、获取磁悬浮装置的实际间隙信号g和实际电流值i，获取提前设定的给定间隙信号g^*；

步骤2、根据所述给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g计算所需要的给定悬浮力F^*；

步骤3、根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i观测实际悬浮力F；

步骤4、根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F计算所需要的给定电流值i^*；

步骤5、根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算所需要的给定输出电压值u^*；

步骤6、根据所述给定输出电压值u^*生成所需要的门极驱动信号u_k从而控制所述磁悬浮装置的悬浮电磁铁保持理想的悬浮状态。

进一步的，所述步骤1中获取磁悬浮装置的实际间隙信号g时同时获取所述磁悬浮装置的实际加速度a。

进一步的，所述步骤2中通过以下公式计算所述给定悬浮力F^*：

F^*＝K_gP(g-g^*)+K_gI∫(g-g^*)dt+K_gDv_g

更具体地，式中，K_gP,K_gI,K_gD分别为比例系数、积分系数和微分系数，v_g为阻尼信号。

进一步的，所述阻尼信号v_g通过对所述实际间隙信号g微分和/或对实际加速度a积分的方式获得。

进一步的，所述步骤2中对实际间隙信号g、实际加速度a和阻尼信号v_g进行相位矫正，所述相位矫正包括相位超前矫正和相位滞后矫正。

进一步的，所述步骤2中计算所述给定悬浮力F^*时，对间隙控制器的比例系数做有条件的非线性处理。

进一步的，所述步骤3中通过以下公式计算所述实际悬浮力F：

更具体地，式中，μ₀为真空磁导率，N是电磁铁励磁绕组匝数，A为铁芯的极面积，i(t)和g(t)为t时刻的实际电流值和实际间隙值。

进一步的，所述步骤4通过以下公式计算所述给定电流值i^*：

更具体地，式中，K_fP,K_fI,K_fD分别为间隙环的比例系数、积分系数和微分系数。

进一步的，对所述给定电流值i^*进行相位超前矫正，对所述给定电流值i^*进行相位滞后矫正。

一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制系统，其特征在于，包括：悬浮传感器、电流传感器、电压传感器、斩波器、悬浮控制器；

所述悬浮传感器获取用于磁悬浮装置的实际间隙信号g；

所述电流传感器检测所述磁悬浮装置的实际电流值i；

所述电压传感器检测所述磁悬浮装置的直流母线电压u_d；

所述悬浮控制器包括间隙控制器、悬浮力观测器、电磁力控制器、电流控制器、脉冲发生器；

所述间隙控制器根据给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g计算给定悬浮力F^*；

所述悬浮力观测器根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i观测所述磁悬浮装置的实际悬浮力F；

所述电磁力控制器根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F计算给定电流值i^*；

所述电流控制器根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算给定输出电压值u^*；

所述脉冲发生器根据所述给定输出电压值u^*和所述直流母线电压u_d向所述斩波器传输生成所述给定输出电压值u^*所需要的门极驱动信号u_k。

进一步的，所述间隙控制器、所述电磁力控制器和所述电流控制器是PID控制器。

进一步的，所述悬浮传感器同时获取所述磁悬浮装置的实际加速度a，所述间隙控制器根据所述给定间隙信号g^*、所述实际间隙信号g和所述实际加速度a计算所述给定悬浮力F^*。

本发明通过将悬浮力反馈应用于悬浮控制，且该悬浮力通过模型计算得到，无需繁琐的计算和测试。由于控制器存在自动调节能力，因此悬浮力观测时存在的偏差不会对控制性能造成较大影响。同时，将非线性控制引入到悬浮控制中，提高悬浮系统刚度，能够更好地阻止外界力干扰带来的不利影响。

附图说明

本发明的以上技术内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的技术方案的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1是本发明一实施例电磁力反馈的悬浮控制系统的流程图，g^*和g分别为给定间隙信号和实际间隙信号，a为电磁铁纵向实际加速度，F^*和F为给定悬浮力和实际悬浮力，i^*和i为给定电流值和实际电流值，u^*为给定输出电压值，u_k为斩波器的门极驱动信号。图中的虚线表示可根据具体算法反馈或可不反馈实际加速度a。

图2是本发明一实施例用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法通过实际间隙信号获取阻尼的流程图。

图3是本发明一实施例电磁力反馈的悬浮控制方法通过实际加速度获取阻尼的流程图。

图4是本发明一实施例用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法通过实际加速度和实际间隙信号共同获取阻尼的流程图。

图5是本发明一实施例用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法步骤2中K_gP的非线性设计图。

图6是本发明一实施例用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制系统的结构图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

本发明公开了一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，包括如下步骤：

步骤1、获取磁悬浮装置的实际间隙信号g、实际电流值i、直流母线电压u_d和/或电磁铁垂向实际加速度a，获取提前设定的给定间隙信号g^*；

步骤2、根据所述给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g通过以下公式计算所需要的给定悬浮力F^*：

F^*＝K_gP(g-g^*)+K_gI∫(g-g^*)dt+K_gDv_g

式中，K_gP,K_gI,K_gD分别为比例系数、积分系数和微分系数，v_g为阻尼信号，

如图2-4，所述阻尼信号v_g通过对实际间隙信号g微分和/或对实际加速度a积分的方式获得，所述阻尼信号v_g通过对所述实际间隙信号g直接微分的方式获得时，为降低高频部分影响，一般采用不完全微分替代微分环节。所述阻尼信号v_g通过加速度积分的方式获得，为避免重力加速度或AD采样等带来的直流偏置，积分环节需采用隔直积分。为提高悬浮系统的控制性能，对间隙信号进行相位矫正，对所述阻尼信号v_g进行相位矫正，所述相位矫正包括相位超前矫正和相位滞后矫正，

如图5，为了进一步提高系统性能，还对间隙控制器的比例系数做一定的非线性处理，其基本规则如图2所示，即当间隙误差g-g^*＜Δg₁时，间隙环比例系数K_gP＝K_gP1；当间隙误差g-g^*＞Δg₂时，K_gP＝K_gP2；当间隙误差位于(Δ_g1,Δ_g2)时，间隙环比例系数成线性变化；

步骤3、根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i通过以下公式观测实际悬浮力F：

式中，μ₀为真空磁导率，N是电磁铁励磁绕组匝数，A为铁芯的极面积，i(t)和g(t)为t时刻的实际电流值和实际间隙值；

步骤4、根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F通过以下公式计算所需要的给定电流值i^*：

式中，K_fP,K_fI,K_fD分别为间隙环的比例系数、积分系数和微分系数，对所述给定电流值i^*进行相位超前矫正，对所述给定电流值i^*进行相位滞后矫正；

步骤5、根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算所需要的给定输出电压值u^*；

步骤6、根据所述给定输出电压值u^*和直流母线电压u_d生成所需要的门极驱动信号u_k从而控制所述磁悬浮装置的悬浮电磁铁保持理想的悬浮状态。

如图1和6，本发明公开了一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制系统，包括：悬浮传感器、电流传感器、电压传感器、斩波器、悬浮控制器；

所述的悬浮传感器获取所述实际间隙信号g和所述实际加速度a；

所述电流传感器检测所述实际电流值i；

所述电压传感器检测直流母线电压u_d；

所述间隙控制器根据所述给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g计算所述给定悬浮力F^*，所述间隙控制器可采用PID控制器；

所述悬浮控制器包括间隙控制器、悬浮力观测器、电磁力控制器、电流控制器、脉冲发生器；

所述悬浮力观测器根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i观测实际悬浮力F；

所述电磁力控制器根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F计算所述给定电流值i^*，所述电磁力控制器可采用PID控制器；

所述电流控制器根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算所述给定输出电压值u^*，所述电流控制器可采用PID控制器；

所述脉冲发生器根据所述给定输出电压值u^*和所述直流母线电压u_d向所述斩波器传输生成所述给定输出电压值u^*所需要的门极驱动信号u_k。

上述方案中所提到的PID控制器可以被其他控制器如滞环控制器所替代。此外，PID控制器也存在诸多变种，如PID控制器的增益可根据输入信号误差的变化而调节(最典型的如积分环节可采用积分分离算法)，这些控制领域专业人员公知的变种都应属于本专利的保护范围。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等同内容。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、获取磁悬浮装置的实际间隙信号g、实际电流值i和直流母线电压u_d，获取提前设定的给定间隙信号g^*；

步骤2、根据所述给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g计算所需要的给定悬浮力F^*；

步骤3、根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i观测实际悬浮力F；

步骤4、根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F计算所需要的给定电流值i^*；

步骤5、根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算所需要的给定输出电压值u^*；

步骤6、根据所述给定输出电压值u^*和直流母线电压u_d生成所需要的门极驱动信号u_k从而控制所述磁悬浮装置的悬浮电磁铁保持理想的悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤1中获取磁悬浮装置的实际间隙信号g时同时获取所述磁悬浮装置的实际加速度a。

3.根据权利要求2所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤2中通过以下公式计算所述给定悬浮力F^*：

F^*＝K_gP(g-g^*)+K_gI∫(g-g^*)dt+K_gDv_g

式中，K_gP，K_gI，K_gD分别为比例系数、积分系数和微分系数，v_g为阻尼信号。

4.根据权利要求3所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述阻尼信号v_g通过对所述实际间隙信号g微分和/或对实际加速度a积分的方式获得。

5.根据权利要求3所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤2中对实际间隙信号g、实际加速度a和阻尼信号v_g进行相位矫正，所述相位矫正包括相位超前矫正和相位滞后矫正。

6.根据权利要求3所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤2中计算所述给定悬浮力F^*时，对间隙控制器的比例系数做有条件的非线性处理。

7.根据权利要求1所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤3中通过以下公式计算所述实际悬浮力F：

式中，μ₀为真空磁导率，N是电磁铁励磁绕组匝数，A为铁芯的极面积，i(t)和g(t)为t时刻的实际电流值和实际间隙值。

8.根据权利要求1所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤4通过以下公式计算所述给定电流值i^*：

式中，K_fP，K_fI，K_fD分别为间隙环的比例系数、积分系数和微分系数。

9.根据权利要求8所述的用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制方法，其特征在于，对所述给定电流值i^*进行相位超前矫正，对所述给定电流值i^*进行相位滞后矫正。

10.一种用于磁悬浮装置的电磁力反馈的悬浮控制系统，其特征在于，包括：悬浮传感器、电流传感器、电压传感器、斩波器、悬浮控制器；

所述悬浮传感器获取用于磁悬浮装置的实际间隙信号g；

所述电流传感器检测所述磁悬浮装置的实际电流值i；

所述电压传感器检测所述磁悬浮装置的直流母线电压u_d；

所述悬浮控制器包括间隙控制器、悬浮力观测器、电磁力控制器、电流控制器、脉冲发生器；

所述间隙控制器根据给定间隙信号g^*和所述实际间隙信号g计算给定悬浮力F^*；

所述悬浮力观测器根据所述实际间隙信号g和所述实际电流值i观测所述磁悬浮装置的实际悬浮力F；

所述电磁力控制器根据所述给定悬浮力F^*和所述实际悬浮力F计算给定电流值i^*；

所述电流控制器根据所述给定电流值i^*和所述实际电流值i计算给定输出电压值u^*；

所述脉冲发生器根据所述给定输出电压值u^*和所述直流母线电压u_d向所述斩波器传输生成所述给定输出电压值u^*所需要的门极驱动信号u_k。

11.根据权利要求10所述的电磁力反馈的悬浮控制系统，其特征在于，所述间隙控制器、所述电磁力控制器和所述电流控制器是PID控制器。

12.根据权利要求10所述的电磁力反馈的悬浮控制系统，其特征在于，所述悬浮传感器同时获取所述磁悬浮装置的实际加速度a，所述间隙控制器根据所述给定间隙信号g^*、所述实际间隙信号g和所述实际加速度a计算所述给定悬浮力F^*。

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