CN113428189B - 一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，包括：步骤S1，在磁悬浮列车车头位置上布置测速定位装置；步骤S2，采集两个感应线圈所测得信号；步骤S3，对采集到的两个信号进行降噪处理；步骤S4，将经过降噪处理的信号转换为周期为T数字脉冲信号；步骤S5，根据所得到数字脉冲信号进行计算，通过数字脉冲信号的周期以及轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径大小，最终计算出磁悬浮列车的实时速度。本发明方法便于理解，操作简单，成本较低，并且在本方法中磁悬浮列车的速度作为一个状态变量在计算过程中连续输出，相较于传统的测速定位方法，提高了速度检测结果的分辨率和精度。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮列车技术领域，具体为一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法。
背景技术
当前包括高速磁浮和低速磁浮两种类型的常导磁浮列车技术已日渐成熟，并且都投入了商业运营。为了高速运动中的磁悬浮列车实现高效准确的自动运行控制、紧急制动、自动停车等功能，对列车的精准速度测试提出了非常高标准的要求。
磁悬浮列车的动力推进系统主要依靠于安置于轨道两侧的电磁体对安置于列车上的超导磁体的磁力互斥作用。由于磁悬浮列车主要依靠于电磁原理来驱动，使得磁悬浮列车的测速定位系统与传统列车的测速定位系统不同。现有的磁悬浮列车测速定位方法主要依靠计数轨枕的测速定位以及长定子齿槽检测的测速定位。计数轨枕的测速方法由于轨枕的宽度可能存在些许偏差，因此利用该方法测得的列车位置信息是相对的，其测量误差会随着时间的推移而累加，需要每隔一定距离对列车的位置进行修正；基于长定子齿槽检测的测速定位方法，定位精度只有一个齿槽周期的长度，远远无法达到实际工程要求，并且，大约每隔7~8m就会出现宽度约为一个齿槽周期的轨道接缝，当车载位置传感器经过该接缝时，其接收到的信号会受到一定的干扰，给列车位置的计算造成较大的误差，使定位精度降低。
发明内容
本发明目的在于提出一种新的基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，用以解决现有测速定位方法中存在的一些问题，该方法设计简便，易于操作以及安装，在测量时可以有效的降低外界干扰所造成的误差，提高测量精度，并且可以有效的增强速度的实时性。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，包括以下步骤：
步骤S1、在磁悬浮列车车头位置上布置测速定位装置；所述测速定位装置包括数据采集模块、数据处理模块以及数据显示模块；数据采集模块为安装于磁悬浮列车与轨道之间间隙处的两个感应线圈。
步骤S2、在磁悬浮列车发动后，两个感应线圈随列车进行相同速度的运动。在列车发动时，轨道两端的电磁体为了驱动列车前进，将与列车的超导磁体发生互斥与吸引作用，产生数组由两个磁场强度相同且方向相反的磁场区域。两个感应线圈通过在磁场中运动，产生了周期性变化的感应电动势，采集两个感应线圈所测得信号。
步骤S3、对采集到的两个信号（感应电动势）传入数据处理模块，并对所采集的信号进行初步降噪处理，以消除其中的干扰噪声信号。
步骤S4、将经过降噪处理的信号经过数据处理模块转换为周期为T的数字脉冲信号。
步骤S5，将所得到数字脉冲信号通过测速定位算法进行计算，最终计算出磁悬浮列车的实时速度，并将其显示于数据显示器中。
进一步优选的，步骤S1中，两个感应线圈为平行于轨道、结构、匝数以及缠绕方向完全相同的独立线圈，在理想情况下两线圈的敏感度和阻抗特性相同，两线圈间距m为由轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径L的一半。
进一步优选的，数据处理模块由跟随电路、比例放大电路、滤波电路、过零比较器、异或处理电路、低通滤波电路、滞环比较电路组成。
进一步优选的，步骤S2中，数据采集模块由两个感应线圈通过磁场做切割磁感线运动产生周期性的电信号传入数据处理模块。具体包括：当两个感应线圈在为相同磁场做磁场切割运动时，由轨道两侧的电磁体与列车的超导磁体产生的磁场通过感应线圈所产生的信号为周期、幅值、相位完全相同的信号，周期为T1；当两个线圈在为相邻磁场做磁场切割运动时，由于所产生的磁场为磁场强度相同但方向完全相反的磁场，所以两个线圈产生的信号为周期、幅值相同，但相位相差为180°的信号，周期为T2；当车载感应线圈运行至感应交叉回线单个闭合环路的正上方时，其产生的感应电动势最大；而当车载线圈位于感应交叉回线相邻闭合回路的交叉部分时，其产生的感应电动势为零。
进一步优选的，步骤S3具体包括：由数据处理模块中的比例放大电路将所接受到的感应电动势进行功率放大，降低噪声信号的干扰，滤波电路负责将接收到的电流信息进行降噪和平滑处理，避免因列车振动、线路环境中的磁场信号干扰磁悬浮列车的测速定位。
进一步优选的，步骤S4具体包括：将两个进行降噪处理后的信号，经过数据处理模块的过零比较器处理，得到两个位于横轴上方的周期性方波信号，再将两个方波信号传入同一个异或处理电路，获得一个周期为T（T=T1+T2）的方波信号，再通过低通滤波电路与滞环比较电路，获得一个周期为T（T=T1+T2）的数字脉冲信号。
进一步优选的，步骤S5具体包括：测速定位的具体方法为，在通过数据处理模块后
得到周期为T的数字脉冲信号，由于两个感应线圈的间距m为轨道两侧的电磁体与磁悬浮列
车的超导磁体产生的磁场的直径L的一半，这样所得到的数字脉冲信号的占空比为50%，由
此计算得到，磁悬浮列车的实时运行速度V为：
。
本发明相较于现有的测速定位技术，具有以下优点：
1、本发明所提供的测速定位方法为磁悬浮列车的牵引系统和运行控制系统提供了位置信息和速度信息，车地通信系统将包含位置、速度信号等信息在地面控制系统和车辆之间进行传递，保证车辆的稳定运行和安全可靠，这两者都对磁浮列车至关重要。
2、本发明所提供的测速定位方法安装成本低，不需要人力成本，操作简便，安全可靠。
3、本发明所提供的测速定位方法中速度作为一个状态变量在计算过程中连续输出，而不是通过位移和时间推算，相较于传统的测速定位方法，提高了速度检测结果的分辨率和精度。
本发明所提供的测速定位方法设计合理，方法便于理解，操作简单，成本较低，并且在本方法中磁悬浮列车的速度作为一个状态变量在计算过程中连续输出，相较于传统的测速定位方法，提高了速度检测结果的分辨率和精度。
附图说明
图1表示本发明所提供的基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的装置结构示意图。
图2表示本发明所提供的基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的流程图。
图3表示本发明所提供的数据处理模块示意图。
图4表示本发明所提供的同磁场所测得感应电动势信号示意图。
图5表示本发明所提供的同磁场所测得感应电动势信号示意图。
图中：1-磁悬浮列车车头，2-感应线圈，3-数据处理模块，4-数据显示模块，5-电磁体。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
具体实施时，如图1所示，在磁悬浮列车车头1安装测速定位装置，在磁悬浮列车与轨道之间的间隙处安装两个感应线圈2（包括线圈A和线圈B），在磁悬浮列车内部安装数据处理模块3以及数据显示模块，在磁悬浮列车运行时由感应线圈2切割由电磁体5所产生的磁场产生感应电动势。
一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，如图2所示，在磁悬浮列车车头位置上布置测速定位装置采集两个感应线圈所测得信号；对采集到的两个信号进行降噪处理；将经过降噪处理的信号转换为周期为T数字脉冲信号；根据所得到数字脉冲信号进行计算，通过数字脉冲信号的周期以及轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径大小，最终计算出磁悬浮列车的实时速度。具体包括以下步骤：
步骤S1、在磁悬浮列车车头位置上布置测速定位装置，每个测速定位装置包括：数据采集模块、数据处理模块以及数据显示模块。数据采集模块由两个感应线圈通过磁场做切割磁感线运动产生周期性的电信号传入数据处理模块，两个感应线圈为平行于轨道的，结构、匝数以及缠绕方向完全相同的独立线圈，在理想情况下两线圈的敏感度和阻抗特性相同，两线圈间距为m=L/2，其中L为由轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径大小。
如图3所示，数据处理模块由跟随电路、比例放大电路、滤波电路、过零比较器、异或处理电路、低通滤波电路、滞环比较电路组成。
步骤S2、在磁悬浮列车发动后，两个感应线圈随列车进行相同速度的运动。在列车发动时，轨道两端的电磁体为了驱动列车前进，将与列车的超导磁体发生互斥与吸引作用，产生数组由两个磁场强度相同且方向相反的磁场区域。两个感应线圈通过在磁场中运动，产生了周期性变化的感应电动势，采集两个感应线圈所测得信号（感应信号A和感应信号B）。
如图4所示，当两个感应线圈在为相同磁场做磁场切割运动时，由轨道两侧的电磁体与列车的超导磁体产生的磁场通过感应线圈所产生的信号为周期、幅值、相位完全相同的信号，周期为T1。如图5所示，当两个线圈在为相邻磁场做磁场切割运动时，由于所产生的磁场为磁场强度相同但方向完全相反的磁场，所以两个线圈产生的信号为周期、幅值相同，但相位相差为180°的信号，周期为T2。当车载感应线圈运行至感应交叉回线单个闭合环路的正上方时，其产生的感应电动势最大；而当车载线圈位于感应交叉回线相邻闭合回路的交叉部分时，其产生的感应电动势为零。
步骤S3、将所采集的感应电动势传入数据处理模块，并对所采集的信号进行初步处理，以消除其中的干扰噪声信号。
比例放大电路将所接受到的感应电动势进行功率放大，降低噪声信号的干扰，滤波电路主要负责将接收到的电流信息进行降噪和平滑处理，避免因列车振动、线路环境中的磁场信号干扰磁悬浮列车的测速定位。
步骤S4、将经过降噪处理的信号经过数据处理模块转换为周期为T的数字脉冲信号。
具体步骤为，将两个进行降噪处理后的信号，经过过零比较器处理，得到两个位于横轴上方的周期性方波信号，再将两个方波信号传入同一个异或处理电路，获得一个周期为T（T=T1+T2）的方波信号，再通过低通滤波电路与滞环比较电路，获得一个周期为T（T=T1+T2）的数字脉冲信号。
步骤S5、将数字脉冲信号通过磁悬浮列车的测速定位算法计算结果，计算出列车的实时速度，并将其显示于数据显示器中。
测速定位算法具体为，在通过数据处理模块后得到周期为T的数字脉冲信号，由于
两个感应线圈的间距m为轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径大
小的一半，这样所得到的数字脉冲信号的占空比约为50%，由此可以计算得到，磁悬浮列车
的实时运行速度V为：
。
上述对本发明的具体实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、 “右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (7)
1.一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、在磁悬浮列车车头位置上布置测速定位装置；所述测速定位装置包括数据采集模块、数据处理模块以及数据显示模块；所述数据采集模块为安装于磁悬浮列车与轨道之间间隙处的两个感应线圈；
步骤S2、在列车运行时，轨道两端的电磁体驱动列车前进，将与列车的超导磁体发生互斥与吸引作用，产生数组由两个磁场强度相同且方向相反的磁场区域；两个感应线圈通过在磁场中运动，产生了周期性变化的感应电动势，采集两个感应线圈所测得信号；
具体包括：
当两个感应线圈在为相同磁场做磁场切割运动时，由轨道两侧的电磁体与列车的超导磁体产生的磁场通过感应线圈所产生的信号为周期、幅值、相位完全相同的信号，周期为T1；当两个线圈在为相邻磁场做磁场切割运动时，由于所产生的磁场为磁场强度相同但方向完全相反的磁场，所以两个线圈产生的信号为周期、幅值相同，但相位相差为180°的信号，周期为T2；当车载感应线圈运行至感应交叉回线单个闭合环路的正上方时，其产生的感应电动势最大；而当车载线圈位于感应交叉回线相邻闭合回路的交叉部分时，其产生的感应电动势为零；
步骤S3、对采集到的两个信号传入数据处理模块进行降噪处理；
步骤S4、将经过降噪处理的信号经过数据处理模块转换为周期为T的数字脉冲信号；
步骤S5、根据所得到数字脉冲信号进行计算，最终计算出磁悬浮列车的实时速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：步骤S1中，两个感应线圈为平行于轨道、结构、匝数以及缠绕方向完全相同的独立线圈，在理想情况下两线圈的敏感度和阻抗特性相同，两线圈间距m为由轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径L的一半。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：数据处理模块由跟随电路、比例放大电路、滤波电路、过零比较器、异或处理电路、低通滤波电路、滞环比较电路组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：步骤S2中，数据采集模块由两个感应线圈通过磁场做切割磁感线运动产生周期性的电信号传入数据处理模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：步骤S3具体包括：
由数据处理模块中的比例放大电路将所接受到的感应电动势进行功率放大，降低噪声信号的干扰，滤波电路负责将接收到的电流信息进行降噪和平滑处理，避免因列车振动、线路环境中的磁场信号干扰磁悬浮列车的测速定位。
6.根据权利要求5所述的一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：步骤S4具体包括：
将两个进行降噪处理后的信号，经过数据处理模块的过零比较器处理，得到两个位于横轴上方的周期性方波信号，再将两个方波信号传入同一个异或处理电路，获得一个周期为T的方波信号，再通过低通滤波电路与滞环比较电路，获得一个周期为T的数字脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于感应电压相位翻转的磁悬浮列车测速定位的方法，其特征在于：步骤S5具体包括：
测速定位的具体方法为，在通过数据处理模块后得到周期为T的数字脉冲信号，由于两
个感应线圈的间距m为轨道两侧的电磁体与磁悬浮列车的超导磁体产生的磁场的直径L的
一半，这样所得到的数字脉冲信号的占空比为50%，由此计算得到，磁悬浮列车的实时运行
速度V为：
。
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