CN114326436A

CN114326436A - 磁浮仿真系统

Info

Publication number: CN114326436A
Application number: CN202111637538.XA
Authority: CN
Inventors: 周文武; 刘琼; 雷涛; 李斌; 杨巍; 王泉; 温鹏; 侯世昊
Original assignee: Hunan Lingxiang Maglev Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Lingxiang Maglev Technology Co Ltd
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明涉及一种磁浮仿真系统，包括信息交互的两个相邻闭环控制回路，即闭环连接的第一电磁铁模型、第一传感器模型和第一控制器模型，以及闭环连接的第二电磁铁模型、第二传感器模型和第二控制器模型；其以悬浮搭接结构的两个悬浮点为研究对象，综合考虑两个悬浮点自身的闭环控制回路和两个回路之间的耦合关系，仿真控制悬浮间隙始终保持在额定值附近，使其波动范围在允许值内，不仅考虑各自悬浮点的闭环控制回路，还考虑回路之间的信息交互，精确度高、匹配性强、还能实现冗余功能。

Description

磁浮仿真系统

技术领域

本发明涉及仿真控制领域，特别是涉及一种用于仿真研究高速磁浮装置(磁浮列车)的磁浮仿真系统。

背景技术

随着磁浮技术的快速发展，目前已具有可以实现高速运行能力的磁浮列车以及运行系统。但是，磁浮列车正式投入运行之前，需要先对列车以及运行系统进行初步的调试，以确保各个关键设备的性能正常，避免出现重大安全事故。

以磁浮仿真系统为例，磁浮列车在运行过程中会由于各种各样的干扰或者元器件损坏等影响，而使悬浮间隙发生波动。因此，为保障列车的安全平稳运行，在高速磁浮列车控制系统中，必须设计磁浮控制系统，使列车悬浮间隙能够始终保持在额定值附近，并且波动范围在允许值之内。那么，在磁浮列车正式投入运行之前，需要对该磁浮控制系统，进行初步调试和仿真验证。因此，如何提供一种模型简单，真实性强的磁浮仿真系统，是磁浮控制系统仿真中亟待解决的一个重要技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁浮仿真系统，包括：闭环连接的第一电磁铁模型、第一传感器模型和第一控制器模型，以及闭环连接的第二电磁铁模型、第二传感器模型和第二控制器模型；所述第一控制器模型还与所述第二控制器模型双向连接；

所述第一控制器模型，根据所述第一传感器模型的输入输出信号和所述第二控制器模型的输入输出信号，仿真控制所述第一电磁铁模型的悬浮间隙在预设范围内；

所述第二控制器模型，根据所述第二传感器模型的输入输出信号和所述第一控制器模型的输入输出信号，仿真控制所述第二电磁铁模型的悬浮间隙在预设范围内。

进一步地，所述第一控制器模型和所述第二控制器模型，以悬浮控制器模型为仿真模型；所述悬浮控制器模型，以传感器检测间隙、相邻点传感器检测间隙、传感器检测加速度、相邻点传感器检测加速度、电磁铁电流、运行速度、故障注入和运控系统激励为输入信号，以电磁铁控制电压、状态为输出信号，以悬浮间隙预设值为可配置参数。

进一步地，所述第一电磁铁模型和所述第二电磁铁模型，为TMA模型、TMB模型、TMC模型、TMD模型的一种或多种，按照预设次序排布。

进一步地，所述TMA模型、TMB模型、TMC模型、TMD模型，以控制电压、悬浮间隙、故障注入为输入，以悬浮力、电磁铁电流为输出，以线圈匝数、电磁铁极面积、电磁铁电阻为可配置参数。

进一步地，所述TMA模型，包括6个主磁极HP、4个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

进一步地，所述TMB模型，包括6个主磁极HP、6个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

进一步地，所述TMC模型，包括6个主磁极HP、4个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

进一步地，所述TMD模型，包括6个主磁极HP、4个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

进一步地，所述第一传感器模型和所述第二传感器模型，采用悬浮传感器模型为仿真模型；所述悬浮传感器模型，以物理间隙、间隙加速度、故障注入、温度、当前位置为输入，以检测间隙、检测加速度、故障信号为输出。

进一步地，所述悬浮传感器模型，包括TSM₁、TSM₂、TSM₃和TSM₄这4种类型；所述TSM₁、TSM₂、TSM₃和TSM₄的激励频率不同。

本发明的磁浮仿真系统，以悬浮搭接结构的两个悬浮点为研究对象，综合考虑两个悬浮点自身的闭环控制回路和两个回路之间的耦合关系(信息交互关系)，仿真控制悬浮间隙始终保持在额定值附近(预设范围内)，使其波动范围在允许值内，不仅考虑各自悬浮点的闭环控制回路，还考虑回路之间的信息交互，精确度高、匹配性强、还能实现冗余功能。

附图说明

图1为磁浮控制系统的搭接结构的示意图；

图2为磁浮控制系统的搭接结构的控制回路示意图；

图3为本发明磁浮仿真系统的一个实施例的结构框图；

图4为本发明磁浮仿真系统的悬浮控制器的搭接结构的悬浮示意图；

图5为本发明磁浮仿真系统的悬浮电磁铁的排布示意图；

图6为本发明磁浮仿真系统的TMA的结构示意图；

图7为本发明磁浮仿真系统的TMA与轨道结构示意图；

图8为悬浮电磁铁磁极间隙不均匀分布结构示意图；

图9为基于有限元软件的电磁铁模型；

图10为本发明磁浮仿真系统的TMB的结构示意图；

图11为本发明磁浮仿真系统的TMC的结构示意图；

图12为本发明磁浮仿真系统的TMD的结构示意图；

图13为齿槽位置模拟效果图。

具体实施方式

高速磁浮列车采用悬浮搭接结构，由两个悬浮点来控制，导致其实际的控制原理与中低速磁浮列车有所不同，具体的如图1所示，显示了该悬浮搭接结构的基本框架，主要包含悬浮控制器、悬浮传感器和悬浮电磁铁等部件。位于同一搭接结构的两个悬浮控制回路(闭环连接的一个悬浮电磁铁、悬浮传感器和悬浮控制器为一个悬浮控制回路)互为相邻的悬浮控制回路，共同支撑1个空气弹簧及其上部负载。每台悬浮控制器除了接收其所在回路的悬浮传感器(如图1所示的自己的2个悬浮传感器)的信号外，还与相邻的悬浮控制器有信号交互，以控制所在回路的悬浮电磁铁部件，其控制回路框图如图2所示。

在此理论基础上，如图3所示，本发明提供一种磁浮仿真系统，包括信息交互的两个闭环控制回路，即闭环连接的第一电磁铁模型100、第一传感器模型200和第一控制器模型300(如图3所示的左边)，以及闭环连接的第二电磁铁模型400、第二传感器模型500和第二控制器模型600(如图3所示的右边)。其中，第一控制器模型300还与第二控制器模型600双向连接，该第一控制器模型300，根据第一传感器模型200的输入输出信号和第二控制器模型600的输入输出信号，仿真控制第一电磁铁模型100的悬浮间隙在预设范围内；第二控制器模型600，根据第二传感器模型500的输入输出信号和第一控制器模型300的输入输出信号，仿真控制第二电磁铁模型400的悬浮间隙在预设范围内。具体的，该预设范围，可根据实际需求，设定为额定值的上下波动值范围内。

在该实施例中，给出了本发明磁浮仿真系统的一个具体实施例，其以悬浮搭接结构的两个悬浮点为研究对象，综合考虑两个悬浮点自身的闭环控制回路和两个回路之间的耦合关系(信息交互关系)，仿真控制悬浮间隙始终保持在额定值附近(预设范围内)，使其波动范围在允许值内，不仅考虑各自悬浮点的闭环控制回路，还考虑回路之间的信息交互，精确度高、匹配性强、还能实现冗余功能，对于仿真研究磁浮系统的悬浮情况，可选但不仅限于具备以下优点：(1)搭接结构的两边属刚性连接，相邻的2台悬浮控制器(第一控制器模型300和第二控制器模型600)存在信息交互，二者需要协同实施控制，比如均流、过接缝、检测信号的判定及冗余处理等；(2)相邻的2个悬浮控制回路具备冗余功能，当某个悬浮控制回路失效时，由相邻的悬浮控制回路维持该搭接结构的悬浮状态，同时操控空气弹簧控制单元放气，减小所在搭接结构分担的负载。具体的，悬浮控制器，可选但不仅限于实现电磁铁控制、线路连接、信号分配、安全故障冗余、安全监测、空气弹簧控制等功能(示例的，监视功能：能够实现功率开关的状态监测；保护元件的状态监测；电流采集监视；温度监视。保护功能：具有磁铁电流限制功能；能识别负载自身短路、断路及对地短路；掉电保护等。空气弹簧控制：一个空气弹簧有两个排气阀门和一个充气阀门，相邻两个悬浮控制器的空气弹簧控制模块共同控制一个空气弹簧的这三个阀门。两个排气阀门在控制上相互独立，在以下两种情况下空气弹簧会进行排气：(1)一个悬浮框的一个悬浮磁铁控制单元失效时(信号OK_MRK_NS或信号OK_MRKvN_D为低电平)，空气弹簧部分排气；如果这个悬浮框两个悬浮磁铁控制单元都失效(信号HEB_R_LF为低电平)，则完全排气。(2)当对应一个空气弹簧的两个相邻悬浮磁铁控制单元中有一个的磁铁电流超过允许最大值时(信号EL_KB_1或EL_KB_2为高电平)，空气弹簧完全排气并保持排空状态。重新上电后，撤销完全排气信号。在空气弹簧分压管压力大于空气弹簧内部压力条件下，空气弹簧在以下三种情况下会进行充气：(1)车辆上电后，对空气弹簧进行一定时间(D_TAUF)的充气；(2)在空气弹簧排气排到小于最小压力后，对空气弹簧进行一定时间(D_TMIN)的充气；(3)在悬浮框重新浮起后，空气弹簧中的压力已超过最小压力值但还不到部分压力值，空气弹簧充气，直到超过部分压力值；或者当空气弹簧中的压力已超过最小压力值，并且相邻两个相邻悬浮磁铁控制单元都正常时，可对空气弹簧进行充气，直到空气弹簧内部压力大于分压管压力。)。

更为具体的，每个悬浮控制器，还可选但不仅限于通过控制各自电磁铁的磁铁端电压，从而控制电磁铁中的电流，进而控制电磁铁表面及轨道(定子铁芯)之间的距离，即悬浮间隙在预设范围内。更为具体的，悬浮传感器安装在悬浮电磁铁上，设计时需保证机械接口的匹配；悬浮传感器和悬浮电磁铁都通过ASG机箱(仅转接)与悬浮控制器连接，设计时需保证三者电气接口的匹配。更为具体的，悬浮控制器，可选但不仅限于由斩波器、开关电源和核心控制器三部分组成。KZ板通过磁铁电流实际值、磁铁电压实际值、间隙值、加速度、速度、起浮指令以及安装位置信息等，根据设计好的控制算法计算出控制量，并产生相应宽度的PWM波。与此同时，将以下信号通过一个异步串行接口发送给相邻悬浮控制器：本悬浮单元的磁铁电流值，本悬浮单元测得的车辆运行速度，本悬浮单元的两路间隙值，本悬浮单元的故障状态信号，并且通过这个接口接收从相邻悬浮控制器发来的信号：相邻悬浮单元的磁铁电流值，相邻悬浮单元测得的车辆运行速度，相邻悬浮单元的两路间隙值，相邻悬浮单元的故障状态信号。如果数据传输发生失效，就认为相邻磁铁发生失效。

更为具体的，各仿真模型的具体构建如下所述：

A悬浮控制器模型(第一控制器模型、第二控制器模型)，可选但不仅限于按照如下方式构建：

由上所知，搭接结构上的悬浮控制器(第一控制器模型)需要根据另一个悬浮控制器(相邻控制器，即第二控制器模型)的状态，自动调节控制算法。为了简化系统模型，使得所设计出的控制律更加容易实现，此处不考虑弹性轨道和空气弹簧对系统性能影响，搭接结构的悬浮简化系统模型可如图4所示：

模型中设定悬浮额定间隙为s₀(预设范围，即为s₀±x)，实际悬浮间隙为s₁、s₂，悬浮质量为m，重力加速度为g，悬浮磁力为F₁，F₂，悬浮电磁铁的端电压为u₁、u₂，悬浮电磁铁的输入电流为i₁、i₂，垂向加速度积分为y₁、y₂，线圈匝数为N，线圈电阻为R，悬浮电磁铁的单边极面积为A，真空磁导率为μ₀，耦合刚度系数为k_r，车辆运行速度为v。

则，该悬浮控制系统模型是一个典型的非线性系统，通过求解非线性微分方程组，获得解析解来分析悬浮控制系统的性能非常困难。但是，高速磁浮列车悬浮系统工作点稳定，工作区间集中在工作点附近，符合非线性系统的局部特性，而且非线性系统模型中没有本质的非线性环节，因此可以对非线性的悬浮控制系统模型线性化，通过线性分析的方法来求解和分析非线性悬浮控制系统的动态特性。即：将悬浮控制系统模型通过矩阵的形式表示，构建高速磁浮列车搭接结构悬浮系统状态空间模型如下：

则，考虑搭接结构控制回路的悬浮控制器模型(表1)为：

具体的，可选但不仅限于将上述搭接结构的悬浮控制器模型封装成Matlab/Simulink模型。确保仿真精度前提下，1)运行在高性能实时仿真机内；

2)对模型进行优化与降维(如对搭接结构的悬浮控制器模型降阶、线性化处理等等)，减少运算量；3)运用反射内存实时获取输入信号等措施，使仿真步长优于1ms。模型可配置参数需要根据设备的实际设计参数进行配置。

表1控制器模型的输入、输出、可配置参数表

B悬浮电磁铁模型(第一电磁铁模型100、第二电磁铁模型400)，可选但不仅限于按照如下方式构建：

新一代磁浮车上悬浮电磁铁模型主要有TMA、TMB(TMB1、TMB2)、TMC、TMD几种类型，可选但不仅限于按照如图5所示的方式排布。需要说明的是，当试验车与其它车辆连挂时，在不是车头那一侧的TMB1和TMB2均应更换为TMA。

具体的，忽略磁路的漏磁和铁芯的磁阻，可得到电磁铁线圈的电感方程为：

电磁铁电压电流模型为：

式中，L为电感；N为线圈匝数；A为磁极面积；μ₀为真空磁导率；i为输入电流。

基于上述理论基础，可构建各电磁铁模型如下：

B1：TMA电磁铁模型构建

如图6所示，TMA电磁铁模型，通常称为标准电磁铁模型，共包含6个主磁极(HP)、4个高铁芯主磁极(HK)和1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B，其中每个主磁极和高铁芯主磁极上均含有一个由两个直线发电线圈组成的直线发电机组；预留4个不同类型的悬浮传感器(TSM1、TSM2、TSM3、TSM4)的安装位置。值得注意的，为计算简便，下面仅考虑理想状态下的电磁铁电磁力计算。

如图7所示，为TMA型电磁铁与轨道结构示意图，包括1个端部磁极EP-A、1个端磁极EP-B、4个高铁芯主磁极、6个主磁极HP。本方案采用磁路法求解电磁力，如图所示可以将电磁铁划分为11个磁路组成，通过对11个磁路的电磁力的求和得到电磁铁总悬浮力。

假设各磁极与轨道之间的悬浮间隙均匀分布，均为s；可以忽略磁路的漏磁和铁芯的磁阻；基于上述两条假设后，基于一般电磁力计算公式可求解其每个磁路的电磁力：

磁通计算公式为：

电磁力计算公式为：

则整个电磁铁总悬浮力为：

但是，上述电磁力求解模型仅为对高速磁浮工程化应用中的实用性分析。但是在磁浮列车正常运行过程中，悬浮模块与轨道存在多个自由度的相对运动，导致悬浮模块在长度方向的分布力是不均匀的。常用的方法常将电磁力等效为作用在电磁铁几何中心的集中力，且忽略了磁场饱和及电磁铁铁芯、磁轭和轨道中磁阻对电磁力的影响，所得结果势必会影响动力学模型的准确性，因此有必要按照实际情况推导精确电磁力计算模型，因此本方案中将对上述公式进行修正。

主要分析有以下几点：

实际工程化应用中，若简单的忽略磁路的漏磁效应，对于多磁路结构的磁浮列车而言，采用上式计算的悬浮力将存在较大的偏差，无法与真实情况所对应；铁芯对于悬浮系统的磁场分布具有较大影响，且不同型号的电磁铁的各个磁极铁芯不同，若在计算中忽略，将无法准确模拟真实电磁力情况；列车高速运行中，有可能存在偏载、轨道不平顺、横风及电气系统振动等激扰，列车的振动俯仰点头等行为同样使得悬浮电磁铁发生偏转、俯仰等行为，及导致各磁极与轨道之间的间隙出现不均匀分布的现象，如图8所示(电磁铁磁极间隙不均匀分布结构示意图)。

因此，考虑到计算精度等问题，上述计算方法将不再适用于高速磁浮电磁铁电磁力的计算。本方案将对上述公式进行修正，从而计算真实情况电磁铁的电磁力。为了向动力学模型输入精确的电磁力，此方案将通过对TMA型电磁铁在多种工况下(不同悬浮间隙、输入电流)的电磁力进行试验测试，建立FTMA(sk,i)实验测试表；此外通过Maxwell有限元软件对不同间隙、输入电流等工况下的电磁力进行参数化扫描仿真计算，如图9所示，通过仿真数据对实验测试表FTMA(sk,i)进行丰富与修订。

通过过对上述建立的电磁力表FTMA(sk,i)，将有如下两种模型建立方式：

查表法：将电磁力表FTMA(sk,i)数据直接作为数据库导入模型中，电磁铁模型根据输入信号(悬浮间隙s_k、输入电流i)在表格中进行筛选合适的数据，并将此数据作为电磁铁模型的电磁力进行输出；

解析法：通过电磁力表FTMA(sk,i)数据对理想状态下的电磁力公式进行修正，修正方法公式表示为：

式中，K为通过电磁力表FTMA(sk,i)进行的修正系数，利用此公式即可完成电磁铁模型的建立。

TMA电磁铁有12个磁极，共组成11个磁路，因此11个磁路的总悬浮力为：

车辆动力学模型建立过程中，TMA型电磁铁模型的电磁力为分布式设计，主要有两个电磁力输入点，按照均分原则分布在电磁铁左右两边。因此，输出的电磁力为：

在动力学模型将上述TMA电磁铁的电磁力F_TMA1、F_TMA2输入到相应的车辆位置即可完成模型的构建(如表2所示)。

当电磁铁两边的电流不相等时，还需根据磁路的分析计算总的电磁力，进而计算输出的电磁力F_TMA1、F_TMA2。

表2 TMA电磁铁模型的输入、输出、可配置参数表

B2：TMB(TMB1与TMB2)电磁铁模型构建

如图10所示，TMB1电磁铁模型，位于端车1右侧，端车2左侧，共包含6个主磁极(HP)、6个高铁芯主磁极(HK)、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B，其中每个主磁极和高铁芯主磁极上均含有一个由两个直线发电线圈组成的直线发电机组；预留6个悬浮传感器(2个TSM1、2个TSM2、1个TSM3和1个TSM4)的安装位置；预留1个绝对定位传感器(INK)的安装位置；预留2个相对定位传感器(NUT)的安装位置。

TMB2电磁铁模型，位于端车1左侧，端车2右侧，预留6个悬浮传感器(1个TSM1、1个TSM2、2个TSM3和2个TSM4)的安装位置，其余部件与TMB1一致。

由于TMB1与TMB2电磁铁除安装位置与预留安装悬浮传感器类型数量不一致外，其他均相同，因此电磁力的模型建立过程均相同，此处不再分开建模。本模型的建立方法与TMA类似，只是其磁极不同导致其回路不同。因此，此处模型的建立过程与上述TMA模型相同，只是修改其具体配置参数即可。

方案将通过对TMB型电磁铁在多种工况下(不同悬浮间隙、输入电流)的电磁力进行实验测试，建立F_TMB(s_k,i)实验测试表；此外通过Maxwell有限元软件对不同间隙、输入电流等工况下的电磁力进行参数化扫描仿真计算，通过仿真数据对实验测试表F_TMB(s_k,i)进行丰富与修订。

通过对上述建立的电磁力表F_TMB(s_k,i)，将有如下两种模型建立方式：

查表法：将电磁力表F_TMB(s_k,i)数据直接作为数据库导入模型中，电磁铁模型根据输入信号(悬浮间隙s_k、输入电流i)在表格中进行筛选合适的数据，并将此数据作为电磁铁模型的电磁力进行输出；

解析法：通过电磁力表F_TMB(s_k,i)数据对理想状态下的电磁力公式进行修正，修正方法公式表示为：

式中，K为通过电磁力表F_TMB(s_k,i)进行的修正系数，利用此公式即可完成电磁铁模型的建立(如表3所示)。

TMB电磁铁有14个磁极，共组成13个磁路，因此13个磁路的总悬浮力为：

上式中，F_k为k＝1,2～13时磁路的电磁力；s_k为不同磁极的输入间隙。

车辆动力学模型建立过程中，TMB型电磁铁模型的电磁力为分布式设计，主要有三个电磁力输入点，按照磁极安装位置不同，三个电磁对应的磁路不同，通过将上述电流分别代入电磁力计算公式即可得到F_TMB1、F_TMB2、F_TMB3值，并输入导动力学模型中进行计算。

表3 TMB1、TMB2电磁铁模型的输入、输出、可配置参数表

B3：TMC电磁铁模型构建

如图11所示，TMC电磁铁模型，在TMA的基础上，电磁铁的中间内侧位置增加了受流器。其它部分均与TMA相一致，包括1个端部磁极EP-A、1个端磁极EP-B、4个高铁芯主磁极、6个主磁极HP。同样的，本方案采用磁路法求解电磁力，可以将电磁铁划分为11个磁路组成，通过对11个磁路的电磁力的求和得到电磁铁总悬浮力。

对TMC型电磁铁在多种工况下(不同悬浮间隙、输入电流)的电磁力进行试验测试，建立F_TMC(s_k,i)实验测试表；此外通过Maxwell有限元软件对不同间隙、输入电流等工况下的电磁力进行参数化扫描仿真计算，通过仿真数据对实验测试表F_TMC(s_k,i)进行丰富与修订。

通过对上述建立的电磁力表F_TMC(s_k,i)，将有如下两种模型建立方式：

查表法：将电磁力表F_TMC(s_k,i)数据直接作为数据库导入模型中，电磁铁模型根据输入信号(悬浮间隙s_k、输入电流i)在表格中进行筛选合适的数据，并将此数据作为电磁铁模型的电磁力进行输出；

解析法：通过电磁力表F_TMC(s_k,i)数据对理想状态下的电磁力公式进行修正，修正方法公式表示为：

式中，K为通过电磁力表F_TMC(s_k,i)进行的修正系数，利用此公式即可完成电磁铁模型的建立(如表4所示)。

TMC电磁铁有12个磁极，共组成11个磁路，因此11个磁路的总悬浮力为：

上式中，F_k为k＝1,2～11时磁路的电磁力，s_k为不同磁极的输入间隙。

车辆动力学模型建立过程中，TMC型电磁铁模型的电磁力为分布式设计，主要有两个电磁力输入点，按照均分原则分布在电磁铁左右两边。因此，输出的电磁力为：

在动力学模型将将上述TMC电磁铁的电磁力F_TMC1、F_TMC2输入到相应的车辆位置即可完成模型的构建。

表4 TMC电磁铁模型的输入、输出、可配置参数表

B4：TMD电磁铁模型构建

如图12所示，TMD电磁体在TMA的基础上，增加了绝对定位传感器INK，其它部分均与TMA相一致，包括1个端部磁极EP-A、1个端磁极EP-B、4个高铁芯主磁极、6个主磁极HP。本方案采用磁路法求解电磁力，可以将电磁铁划分为11个磁路组成，通过对11个磁路的电磁力的求和得到电磁铁总悬浮力。

对TMD型电磁铁在多种工况下(不同悬浮间隙、输入电流)的电磁力进行试验测试，建立F_TMD(s_k,i)实验测试表；此外通过Maxwell有限元软件对不同间隙、输入电流等工况下的电磁力进行参数化扫描仿真计算，通过仿真数据对实验测试表FTMD(sk,i)进行丰富与修订。

通过对上述建立的电磁力表F_TMD(s_k,i)，将有如下两种模型建立方式：

查表法：将电磁力表F_TMD(s_k,i)数据直接作为数据库导入模型中，电磁铁模型根据输入信号(悬浮间隙sk、输入电流i)在表格中进行筛选合适的数据，并将此数据作为电磁铁模型的电磁力进行输出；

解析法：通过电磁力表F_TMD(s_k,i)数据对理想状态下的电磁力公式进行修正，修正方法公式表示为：

式中，K为通过电磁力表F_TMD(s_k,i)进行的修正系数，利用此公式即可完成电磁铁模型的建立。

TMD电磁铁有12个磁极，共组成11个磁路，因此11个磁路的总悬浮力为：

车辆动力学模型建立过程中，TMD型电磁铁模型的电磁力为分布式设计，主要有两个电磁力输入点，按照均分原则分布在电磁铁左右两边。因此，输出的电磁力为：

在动力学模型将将上述TMD电磁铁的电磁力F_TMD1、F_TMD2输入到相应的车辆位置即可完成模型的构建(如表5所示)。

表5 TMD电磁铁模型的输入、输出、可配置参数表

上述给出了各电磁铁模型的构建方式，并考虑到实际情况，给出了纠正和修订方式，进一步提高了各模型的真实性和精确度，对仿真结果的进一步优化有显著作用。更为具体的，各悬浮电磁铁模型封装成Matlab/Simulink模型。在保证模型精度前提下，模型采用了：1)对模型进行优化与降维(如将数值计算简化为查表法，采用实验和有限元方法建立的电磁力表等)，减少运算量；2)运行在高性能实时仿真机内；3)通过反射内存实时获取输入信号，使仿真步长优于1ms。各悬浮电磁铁模型(TMA，TMB1，TMB2，TMC，TMD)可配置参数需要根据模拟各悬浮电磁铁的实际设计参数进行配置。

C悬浮传感器模型(第一传感器器模型、第二传感器模型)，可选但不仅限于按照如下方式构建：

每辆车上有64个悬浮传感器，根据在车辆上的安装位置的不同，共有4种不同类型的悬浮传感器，记为TSM1、TSM2、TSM3和TSM4。这4种类型的悬浮传感器仅仅在激励频率上有所不同，其余特性完全一样。每个悬浮控制器对应两个悬浮传感器，悬浮传感器为悬浮控制系统提供悬浮数据，如悬浮间隙、速度、加速度等。

由于传感器工作环境恶劣，实际的传感器的检测数据精度往往会受到电磁铁温度、长定子的齿槽和轨道不平顺的影响。传感器的检测误差对悬浮控制稳定性有重要影响。因此本发明构建的悬浮传感器模型(如表6所示)考虑温度变化、齿槽位置和轨道不平顺的影响，其输入输出特性与悬浮传感器实物一致，并且模型与实物的替换不会影响单点悬浮系统的控制效果。具体的，温度效应：悬浮间隙传感器镶嵌于电磁铁线圈之间，对悬浮电磁铁与长定子之间的间隙进行测量。由于悬浮电磁铁工作时存在发热问题，因此传感器的工作环境比较恶劣；齿槽效应：感应线圈中与定子轨道纵向方向垂直的线段分布面积直接影响到齿槽影响的大小，此处线段越集中，齿槽的影响就小。与定子轨道纵向方向平行的线段所发射的磁场分布越均匀，齿槽的影响就越小。其中齿槽位置模拟效果如图13所示。

表6悬浮传感器模型的输入、输出、可配置参数表

更为具体的，悬浮传感器模型模型可选但不仅限于封装成Matlab/Simulink模型。在保证模型精度前提下，采用了：1)采用高性能仿真机，提高运算速度；

2)对模型进行优化与降维；3)采用反射内存实现信息实时交互，使仿真步长优于1ms。导向传感器模型可配置参数需要根据模拟传感器的实际设计参数进行配置。

在该实施例中，给出了传感器模型的具体构建方式，适用于第一传感器模型和第二传感器模型(相邻传感器)，其充分考虑温度、齿槽位置等可变因素的影响，进一步提高了该传感器模型的真实性和精确度，对于进一步优化仿真效果有重要作用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种磁浮仿真系统，其特征在于，包括：闭环连接的第一电磁铁模型、第一传感器模型和第一控制器模型，以及闭环连接的第二电磁铁模型、第二传感器模型和第二控制器模型；所述第一控制器模型还与所述第二控制器模型双向连接；

2.根据权利要求1所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述第一控制器模型和所述第二控制器模型，以悬浮控制器模型为仿真模型；所述悬浮控制器模型，以传感器检测间隙、相邻点传感器检测间隙、传感器检测加速度、相邻点传感器检测加速度、电磁铁电流、运行速度、故障注入和运控系统激励为输入信号，以电磁铁控制电压、状态为输出信号，以悬浮间隙预设值为可配置参数。

3.根据权利要求1所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述第一电磁铁模型和所述第二电磁铁模型，为TMA模型、TMB模型、TMC模型、TMD模型的一种或多种，按照预设次序排布。

4.根据权利要求3所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述TMA模型、TMB模型、TMC模型、TMD模型，以控制电压、悬浮间隙、故障注入为输入，以悬浮力、电磁铁电流为输出，以线圈匝数、电磁铁极面积、电磁铁电阻为可配置参数。

5.根据权利要求4所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述TMA模型，包括6个主磁极HP、4个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

6.根据权利要求4所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述TMB模型，包括6个主磁极HP、6个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

7.根据权利要求4所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述TMC模型，包括6个主磁极HP、4个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

8.根据权利要求4所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述TMD模型，包括6个主磁极HP、4个高铁芯主磁极HK、1个端磁极EP-A和1个端磁极EP-B。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述第一传感器模型和所述第二传感器模型，采用悬浮传感器模型为仿真模型；所述悬浮传感器模型，以物理间隙、间隙加速度、故障注入、温度、当前位置为输入，以检测间隙、检测加速度、故障信号为输出。

10.根据权利要求9所述的磁浮仿真系统，其特征在于，所述悬浮传感器模型，包括TSM₁、TSM₂、TSM₃和TSM₄这4种类型；所述TSM₁、TSM₂、TSM₃和TSM₄的激励频率不同。