CN112414661A - 一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，包括机械结构部分和控制部分；所述机械结构部分包括用于进行碰撞试验的试验车、用于承载并导向试验车的铁轨、用于模拟障碍物的固定测力墙、用于获取试验车碰撞参数的检测装置以及用于调节试验车车速的直线电机；所述控制部分包括用于控制直线电机变频调速的变频器、用于反馈试验车速度的速度传感器以及用于根据速度传感器的信号控制变频器的PLC控制器。

Description

一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统
技术领域
本发明涉及轨道交通车辆碰撞试验技术领域，特别涉及一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统。
背景技术
随着我国轨道交通网络全国覆盖率越来越高，火车高铁地铁这种轨道交通方式成了人们出行更加便捷的选择，随之而来的安全问题成为了人们关注的热点，为此工程师在设计轨道交通工具时需要对火车高铁等进行严格的安全性试验，其中最重要的当属列车碰撞试验，该试验可以模拟列车遭受各种不同程度碰撞时车头所受外力，车头产生的变形，以及挂载车箱的运动幅度。随着近年来试验不断地完善，列车的安全性也在不断提高，本发明旨在研究一种精度更高的火车碰撞试验平台，可以更精准地对碰撞试验列车的速度进行控制。
现有的轨道车碰撞试验，多采用弹射加速或牵引车推动的方式，给定试验车一个加速度，使试验车经过一段距离自由滑行后接触碰撞墙从而采集碰撞数据，在滑行过程中试验车不受控制，碰撞时的速度取决于脱离时速度与滑行距离，轨道光滑程度等因素，由于受到外界环境影响，例如不同温度湿度，风速等因素，碰撞发生时速度可能超出试验误差范围，导致每组试验都需要大量重复才能得到理想数据，大大延长了试验周期以及试验成本。
为此针对这一情况，如何对碰撞试验车车速进行连续，有效的控制成为了急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，能够实现整个列车碰撞试验过程中速度的精确控制，可以大大提高碰撞试验数据的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，包括机械结构部分和控制部分；
所述机械结构部分包括用于进行碰撞试验的试验车(1)、用于承载并导向所述试验车(1)的铁轨(6)、用于模拟障碍物的固定测力墙(9)、用于获取试验车(1)碰撞参数的检测装置(8)以及用于调节试验车(1)车速的直线电机；
所述直线电机包括电机初级(2)和电机次级(5)；所述电机初级(2)安装于试验车(1)车底，所述电机次级(5)安装于铁轨(6)之间；所述检测装置(8)设置于固定测力墙(9)上；
所述控制部分包括用于控制直线电机变频调速的变频器(11)、用于反馈试验车(1)速度的速度传感器(4)以及用于根据速度传感器(4)的信号控制变频器(11)的PLC控制器(13)。
可选的，所述电机初级(2)为多个，多个电机初级(2)首尾相连固定于试验车(1)车底。
可选的，所述电机次级(5)为多个，多个电机次级(5)首尾相连铺设于铁轨(6)之间。
可选的，所述铁轨(6)包括枕木(7)。
可选的，所述机械结构部分还包括第一底座(17)和连接装置(16)，用于将所述电机初级(2)固定安装于试验车(1)车底。
可选的，所述机械结构部分还包括第二底座(14)，所述次第二底座(14)通过螺栓固定于枕木(7)上。
可选的，所述电机次级(5)与第二底座(14)通过螺栓固定连接。
可选的，所述控制部分还包括位置传感器(15)，用于检测试验车(1)是否进入试验区域，所述位置传感器(15)安装在所述铁轨(6)上。
可选的，所述控制部分还包括测速控制箱(3)，所述测速控制箱(3)一端与速度传感器(4)连接，另一端与PLC控制器(13)连接。
可选的，所述直线电机为单边型直线感应直线电机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用直线电机连续调速控制，充分利用电机高精度可控特点，可对整个试验过程的速度不断进行控制，大幅度提升碰撞精度。
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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统总体示意图；
图2为本发明电机次级安装图；
图3为本发明电机初级安装图；
符号说明：
1-试验车，2-电机初级，3-测速控制箱，4-速度传感器，5-电机次级，6-铁轨，7-枕木，8-检测装置，9-测力墙，10-第三轨供电，11-变频器，12-工控机，13-PLC控制器，14-第二底座，15-位置传感器，16-连接装置，17-第一底座。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
本发明的目的是提供一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，可以在试验车经牵引车加速后，使用直线电机对试验车的车速不断调整，连续控制实现试验车全程闭环调速，从而实现列车碰撞试验整个碰撞过程中速度的精确控制，可以大大提高碰撞试验数据的准确性，避免大量重复试验，节约试验的时间和成本。
为了解决上述现有方案中存在的问题，本发明提供了一种对质量60T以内的轨道车辆撞击车速的连续闭环调速系统，对于试验中轨道车辆的速度参数可通过系统灵活调整，满足当前速度越来越高的轨道车车速需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的主要结构由机械结构部分及控制部分组成，本发明采用的电机为单边型直线感应直线电机，系统结构具体如图1-3所示，主要包括：试验车1、电机初级2、测速控制箱3、速度传感器4、电机次级5、铁轨6、枕木7、检测装置8、测力墙9、第三轨供电10、变频器11、工控机12、PLC控制器13、第二底座14、位置传感器15、连接装置16、第一底座17；
其中，关于机械结构部分：
试验车1用于进行碰撞试验；第三轨供电10用于为试验车1供电；固定测力墙9用于模拟障碍物；铁轨6及枕木7用于承载并导向试验车；检测装置8安装在测力墙9上，用于获得碰撞参数；电机初级2和电机次级5用于调节试验车车速，第一底座17和连接装置16安装于试验车车底，用于固定电机初级2；电机次级5通过螺栓连接固定在第二底座14上，第二底座14沿着铁轨6在枕木7上连续铺设，从而满足对试验车1的速度连续控制的需求。
具体的，电机初级2和电机次级5共同组成直线电机，电机初级2和电机次级5分别安装在试验车1上和铁轨6中间，电机初级2的安装示意图如图3所示，电机次级5的安装示意图如图2所示，在试验车1运行到试验区域时，电机初级2与电机次级5相互作用产生推力，驱动试验车1连续调速。
关于控制部分：
变频器11安装于试验车1上，用于控制电机初级2变频调速；位置传感器15安装在距离固定测力墙9一定距离(距离可根据试验速度参数调整)的铁轨6两端，用于检测试验车1是否进入试验区域的；速度传感器4安装在试验车1车轮外侧，用于采集试验车1的速度，测速控制箱3安装于试验车1内，与速度传感器4电连接；
工控机12和PLC控制器13安装在试验车1内，用于接收速度传感器4的信号，执行控制系统程序。
特别的，在控制部分，速度传感器4连接到测速控制箱3，测速控制箱3、PLC控制器13分别于工控机12相连，PLC控制器13还与变频器11相连，这样测速控制柜3收集到的速度信号直接发给工控机12，工控机12处理后发给PLC控制器13用于速度闭环控制，PLC控制器13控制变频器11调节直线电机的工作功率。
本发明主要原理为：
在铁轨6上距离测力墙20米以外(20m为试验车长度，为保证碰撞瞬间电机初级2和电机次级5间不会上下碰撞导致破坏，最后20m不铺设次级)的一定距离(视试验场地需求可自行调整)内布置连续的电机次级5，为方便安装选用较短电机次级5拼接而成，多段首位相接；在试验车1底部安装有多个较短电机初级2拼接而成的电机初级组(这里我们采用4块初级首尾相接铺设，以降低每个电机所承受的推力与吸引力)。
试验车1沿着铁轨6，由一辆牵引车推动获得一定的初速度(速度视试验要求而定)后牵引车与试验车1脱离，之后试验车1自由滑行，在进入电机次级5铺设区域后，位置传感器15检测到试验车1当前位置信号，将信号通过无线电发送给车上PLC控制器13，PLC控制器13打开并开始工作驱动直线电机，试验车1进入安装电机次级5的区域，电机初级2与电机次级5共同作用对试验车1进行调速。
在这一区域内，测速控制箱3实时获得速度传感器4测得的试验车1车速并通过无线传输装置将信号发送给安装于控制室内的上位机，对车速等数据实时显示，其中无线传输装置可以采用无线电台发送数据。
同时车速信息通过车内电缆传输给车内PLC控制器13，该控制器通过闭环控制程序控制电机初级2，当速度传感器4检测到试验车1当前车速大于目标车速，直线电机给试验车1提供阻力，减少试验车动能以降低车速；相应的当车速小于目标车速时，直线电机1给试验车提供驱动力提高车速。
最终试验车1与测力墙9相撞，检测装置8获得相撞时的试验参数。
在这一过程中，为满足试验车1车速连续控制的需求，我们在试验区域内布置连续首尾相连且等长度的电机次级板，均匀连续地对试验车1的车速进行调速，保证最终试验车1与测力墙9相撞时的车速与目标速度的误差满足精度需求。
该系统实际工作实例如下：
首先，相应技术人员在位于地面控制室内上位机上设定相关试验数据：包括试验车脱离初速度、试验车碰撞末速度、试验区域长度等等，然后点击工作按钮，牵引车推动试验车开始加速，车上控制系统准备开始工作。
在撞击试验过程中，系统检测到位置传感器15的信号时，即牵引车在进入试验区域后与试验车脱离，试验车进入试验区域。
进入试验区域后，速度传感器4向测速控制箱3反馈与车轮转数成比例的电脉冲信号，该信号在测速控制箱3内经过相应的卡尔曼滤波处理后，实时计算速度和加速度，然后将速度传送给PLC控制器13，PLC控制器13根据相应的控制律进行控制计算，将控制信号通过相应总线传送给变频器11，变频器11开始工作，驱动直线电机输出力矩对列车速度进行控制，同时该信号通过无线电台方式传送给控制室内上位机，可以对该信号实时显示，绘制相应曲线，并且进行相应的计算，显示相关指标等等，从而方便技术人员观测。
这里卡尔曼滤波处理主要用于对速度传感器4采集到的数据进行滤波，对数据杂波进行过滤拟合，得到有价值的数据参数，同时对系统状态进行最优估计，提高系统响应速度。
这里简单介绍实现卡尔曼滤波的五大公式：
Figure BDA0002653664120000061
Figure BDA0002653664120000062
Figure BDA0002653664120000063
Figure BDA0002653664120000064
Figure BDA0002653664120000065
其中，
Figure BDA0002653664120000066
和
Figure BDA0002653664120000067
分别表示k-1时刻和k时刻的后验状态估计值，是滤波的结果之一；
Figure BDA0002653664120000068
是k时刻的先验状态估计值，是滤波的中间计算结果；Pk和Pk-1分别表示k-1时刻和k时刻的后验估计协方差，是滤波的结果之一；
Figure BDA0002653664120000069
是k时刻的先验估计协方差，是滤波的中间计算结果；H是是状态变量到观测的转换矩阵，表示将状态和观测连接起来的关系，zk是观测值，是滤波的输入；Kk是滤波增益矩阵，是滤波的中间计算结果；A是状态转移矩阵，实际上是对目标状态转换的一种猜想模型；Q是过程激励噪声协方差即系统过程的协方差；R是测量噪声协方差；B是将输入转换为状态的矩阵。
经过连续长度的直线电机控制区域，在区域末端，相关技术人员实时监测列车速度，并对列车速度进行记录，计算调速精度等试验数据，对试验效果进行评测。
列车进入最后20m自由滑行区域，撞击墙壁，完成整个试验过程，相关技术人员通过控制室内上位机记录试验相关数据，之后关闭系统，关闭相应电源，试验结束。
本发明还公开了如下技术效果：
1、通过本发明的应用，可以在试验车与驱动车脱离后，对试验车的车速进行连续闭环控制，从而实现对碰撞速度的精确控制，大大提高碰撞试验精度和试验效果。
2、本发明提供了一种对质量60T以内的轨道车辆满足多种速度区间要求的轨道车辆撞击试验车速的闭环连续系统，克服原来开环控制车速不可控的问题。
3、本发明采用次级铺设在轨道上的方案，可实现车速的连续控制，可以使实验过程中车速调整更加平稳，降低对于电机最大输出功率的需求，同时，连续的速度控制系统也可以满足不同的试验场地需求，对试验场地空间要求不在过于苛刻。
4、本发明连续的次级板成本较低，同时本发明的连续闭环调速可以大大提高实验数据的准确性，避免重复实验，可以节约碰撞实验的成本需求。
5、本发明初级电机及控制系统安装在车上，不需要外部搭建电气控制柜铺设电缆，但需要试验车从第三轨取电供给车上电机及控制系统。
6、本发明采用了一种无线速度传输技术将试验车车速传输给中控系统，做到了对实验数据实时传输和显示，保证实验人员对实验整体过程中的车速实时跟踪，必要时可临时调整。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，包括机械结构部分和控制部分；
所述机械结构部分包括用于进行碰撞试验的试验车(1)、用于承载并导向所述试验车(1)的铁轨(6)、用于模拟障碍物的固定测力墙(9)、用于获取试验车(1)碰撞参数的检测装置(8)以及用于调节试验车(1)车速的直线电机；
所述直线电机包括电机初级(2)和电机次级(5)；所述电机初级(2)安装于试验车(1)车底，所述电机次级(5)安装于铁轨(6)之间；所述检测装置(8)设置于固定测力墙(9)上；
所述控制部分包括用于控制直线电机变频调速的变频器(11)、用于反馈试验车(1)速度的速度传感器(4)以及用于根据速度传感器(4)的信号控制变频器(11)的PLC控制器(13)。
2.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述电机初级(2)为多个，多个电机初级(2)首尾相连固定于试验车(1)车底。
3.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述电机次级(5)为多个，多个电机次级(5)首尾相连铺设于铁轨(6)之间。
4.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述铁轨(6)包括枕木(7)。
5.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述机械结构部分还包括第一底座(17)和连接装置(16)，用于将所述电机初级(2)固定安装于试验车(1)车底。
6.根据权利要求4所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述机械结构部分还包括第二底座(14)，所述次第二底座(14)通过螺栓固定于枕木(7)上。
7.根据权利要求6所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述电机次级(5)与第二底座(14)通过螺栓固定连接。
8.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述控制部分还包括位置传感器(15)，用于检测试验车(1)是否进入试验区域，所述位置传感器(15)安装在所述铁轨(6)上。
9.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述控制部分还包括测速控制箱(3)，所述测速控制箱(3)一端与速度传感器(4)连接，另一端与PLC控制器(13)连接。
10.根据权利要求1所述的基于轨道车辆碰撞试验台的直线电机调速系统，其特征在于，所述直线电机为单边型直线感应直线电机。
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