CN214429474U - 一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器及阻尼设备 - Google Patents

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张志华
张艳清
卢卫国
冯馨月
胡道宇
陈松
王岩
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Abstract

本实用新型提供了一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器及阻尼设备，设置于列车上，所述阻尼器包括：阻尼线圈、控制组件以及逆变电路；所述控制组件用于根据列车的垂向速度信号生成第一开关信号；所述垂向速度信号表征列车在垂直方向的速度；所述逆变电路用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电流并反馈至所述阻尼线圈；所述阻尼线圈用于根据所述输入电流产生阻尼力。通过上述阻尼器，可以依据相关的控制策略控制流过阻尼线圈电流，在高速飞行列车全速度域范围内有效且准确地实现阻尼器的抑制效果。

Description

一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器及阻尼设备
技术领域
本实用新型涉及磁悬浮列车领域，具体涉及一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器及阻尼设备。
背景技术
高速飞行列车采用超导电动悬浮系统，其本质是一种被动悬浮系统。车载超导磁体掠过地面悬浮线圈，悬浮线圈因感应出电流而产生感应磁场，该磁场与超导磁体磁场相互作用从而为列车提供悬浮力与导向力，其在速度>150km/h时，轮轨脱离接触，从而能够突破传统轮轨粘着效应的约束，满足高速飞行列车1000km/h的应用需求。
高速飞行列车在实际运行过程中，面临如下外部激励扰动：1)气动扰动，尤其是会车工况下的气动扰动；2)悬浮线圈固有不连续性带来的悬浮力波动；3)线圈安装精度不达标、线路沉降、接缝等带来的线路不平顺问题。然而超导电动悬浮也是一种负阻尼或临界阻尼系统，在外部激励扰动下系统容易发散导致悬浮失稳，而且上述激扰在列车1000km/h速度下影响将会放大，导致车体剧烈振动甚至发生撞击轨道等现象。因此，为减少外部阻尼对列车稳定运行的影响，需要引入外部阻尼，以在高速飞行列车全速度域范围内有效且准确地达到抑制效果。
实用新型内容
鉴于现有技术中外部阻尼对列车稳定运行的影响的问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器及阻尼设备。
依据本实用新型的一个方面，提供一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，设置于列车上，包括：
阻尼线圈、控制组件以及逆变电路；
所述控制组件用于根据列车的垂向速度信号生成第一开关信号；所述垂向速度信号表征列车在垂直方向的速度；
所述逆变电路用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电流并反馈至所述阻尼线圈；
所述阻尼线圈用于根据所述输入电流产生阻尼力。
优选的，还包括：滤波器，用于对所述垂向速度信号滤波后再发送给所述控制组件。
优选的，所述逆变电路为单相全桥逆变电路，所述控制组件输出的第一开关信号控制所述单相全桥逆变电路中两对桥臂的导通与关断以控制所述逆变电路。
优选的，所述第一开关信号为两路IGBT开关信号，每路IGBT开关信号分别控制一个桥臂。
优选的，所述控制组件包括：指令电流模块、PI控制模块以及高频调制模块；
所述指令电流模块接收所述垂向速度信号并生成参考电流后输出至PI控制模块；
所述PI控制模块接收所述逆变电路反馈的输入电流，并将所述输入电流与参考电流进行比较后输出指令信息；
所述高频调制模块接收所述指令信息，并对所述指令信息进行调制以生成第一开关信号，所述第一开关信号为方波信号。
优选的，所述高频调制模块通过高频三角波对所述指令信息进行调制以生成占空比变化的方波信号。
优选的，所述逆变电路还用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电压；
所述阻尼线圈还用于根据所述输入电压产生阻尼力。
优选的，所述控制组件还用于根据列车的纵向速度信号和/或导向速度信号生成第二开关信号；
所述逆变电路还用于根据所述第一开关信号以及第二开关信号输出相应的输入电流并反馈至所述阻尼线圈。
依据本实用新型的另一个方面，提供一种用于超导电动悬浮系统的阻尼设备，包括：
如上任意一项所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器以及加速度传感器，所述加速度传感器用于采集列车的垂向加速度，并根据所述垂向加速度获得垂向速度信号。
优选的，所述加速度传感器还用于采集列车的纵向加速度和/或导向加速度以分别获得纵向速度信号和/或导向速度信号。
通过上述阻尼器，可以依据相关的控制策略控制流过阻尼线圈电流，在高速飞行列车全速度域范围内有效且准确地实现阻尼器的抑制效果。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中的逆变电路示意图；
图3为本实用新型实施例中的指令电流模块示意图；
图4为本实用新型实施例中的PI控制模块示意图；
图5为本实用新型实施例中的高频调制模块示意图；
【附图标号】
10、阻尼线圈；20、控制组件；30、逆变电路；
201、指令电流模块；202、PI控制模块；203、高频调制模块。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例提供一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，设置于列车上，如图1所示，包括：
阻尼线圈10、控制组件20以及逆变电路30；
所述控制组件20用于根据列车的垂向速度信号V生成第一开关信号；所述垂向速度信号V表征列车在垂直方向的速度。具体的，由于阻尼器设置于列车上并随列车的移动而移动，因此初始状态下，列车的速度就视为阻尼线圈的速度，且列车的垂向速度就等于阻尼线圈的垂向速度，因此在本实施例中，根据列车的垂向速度信号生成第一开关信号也相当于根据阻尼器的垂向速度信号生成第一开关信号。较佳的，由于垂直方向的振动对列车的影响较大，因此本实施例中主要针对垂直方向进行分析和数据采集，以简化控制流程。
所述逆变电路用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电流I并反馈至所述阻尼线圈；其中，所述第一开关信号的作用就是控制逆变电路的输出，逆变电路根据第一开关信号的不同输出不同大小的输入电流I，不同大小的输入电流I又可以控制阻尼线圈产生不同大小的阻尼力。
所述阻尼线圈用于根据所述输入电流I产生阻尼力。具体而言，阻尼线圈根据所述输入电流I产生阻尼力，并且与阻尼线圈当前所受的其他力结合所获得的合力可以抵消外部阻尼，减少外部阻尼对列车稳定运行的影响。
较佳的，上述阻尼器还可以进一步用于磁悬浮火箭橇、电磁弹射、磁悬浮航天助推发射等需要高速运行的领域，以进一步稳定磁悬浮火箭橇、电磁弹射、磁悬浮航天助推发射等的运行。
通过以上实施例所述的阻尼器，可以依据相关的控制策略控制流过阻尼线圈电流，并且与阻尼线圈当前所受的其他力结合所获得的合力可以抵消外部阻尼，减少外部阻尼对列车稳定运行的影响，能够在高速飞行列车全速度域范围内有效且准确地实现阻尼器的抑制效果。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，还包括：滤波器，用于对所述垂向速度信号先进行滤波，随后再发送给所述控制组件，以实现精准的控制。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，如图2所示，所述逆变电路为单相全桥逆变电路，所述控制组件输出的第一开关信号控制所述单相全桥逆变电路中两对桥臂的导通与关断以控制所述逆变电路，所述桥臂为桥臂IGBT，具体而言，由于单相全桥逆变电路可以看做由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，其中两对桥臂各组成一对，成对桥臂可以同时导通。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，所述第一开关信号为两路IGBT开关信号，每路IGBT开关信号分别控制一对桥臂，具体的，两路IGBT开关信号控制单相全桥逆变电路两对桥臂IGBT的栅极，以控制IGBT的导通，根据两路IGBT开关信号的导通和关断，以提供给全桥逆变电路不同的电流指令，使得全桥逆变电路根据不同的电流指令生成不同的输入电流以实现灵活控制阻尼线圈。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，图3、图4及图5所示，所述控制组件20包括：指令电流模块201、PI控制模块202以及高频调制模块203；
所述指令电流模块201接收所述垂向速度信号V并生成参考电流Iref后输出至PI控制模块202；其中，根据不同的控制策略，所述指令电流模块201将接收到的垂向速度信号V生成参考电流Iref。
所述PI控制模块202接收所述逆变电路反馈的输入电流I，并将所述输入电流I与参考电流Iref进行比较后输出指令信息Ipi。具体的，PI控制模块202将参考电流与从逆变电路30中输出的输入电流I作比较，通过调节PI参数，最终输出一个指令信息Ipi。具体的，PI控制模块为PI调节器，其实为一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
所述高频调制模块203接收所述指令信息Ipi，并对所述指令信息Ipi进行调制以生成第一开关信号，所述第一开关信号为方波信号。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，所述高频调制模块通过高频三角波对所述指令信息进行调制以生成占空比变化的方波信号。具体的，高频调制模块接收高频三角波以及指令信息Ipi，对指令信息Ipi调制，最终生成占空比变化的方波信号，即第一开关信号，所述第一开关信号包括两路IGBT开关信号，以分别控制一对桥臂。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，所述逆变电路还用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电压。
所述阻尼线圈还用于根据所述输入电压产生阻尼力。具体而言，本实用新型实施例中，结合不同的控制策略，除了可以通过对流过阻尼线圈的输入电流进行控制，也可以对阻尼线圈两端的电压进行控制，以提供多种控制手段。
本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，较佳的，所述控制组件还用于根据列车的纵向速度信号和/或导向速度信号生成第二开关信号；具体的实施例中，在不考阻尼线圈随车体发生转动的情况下，阻尼线圈的移动状态就可以被三个方向的位移与三个方向的速度完全描述，其中，三个方向即：垂向、纵向和导向。也就是说，通过三个方向的位移可以描述阻尼线圈的空间位置，三个方向的速度可以描述阻尼线圈的运动。
所述逆变电路还用于根据所述第一开关信号以及第二开关信号输出相应的输入电流并反馈至所述阻尼线圈。其中第一开关信号以及第二开关信号共同决定阻尼线圈在三个方向的情况，可以在高速飞行列车全速度域范围内有效且准确地分析阻尼器抑制效果。通过对三个方向的速度信号的采集以获得输入信号，能够更加精准的反馈所需要的阻尼力，更适合于复杂载荷的情况。
本实用新型实施例还提供一种用于超导电动悬浮系统的阻尼设备，包括：
如上任意一个具体实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器以及加速度传感器，所述加速度传感器用于采集列车的垂向加速度，并根据所述垂向加速度获得垂向速度信号。
本实用新型实施例所提供的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼设备，较佳的，包括：
所述加速度传感器还用于采集列车的纵向加速度和/或导向加速度以分别获得纵向速度信号和/或导向速度信号。
综上所述，本实用新型实施例所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器以及阻尼设备，可以依据相关的控制策略控制流过阻尼线圈电流，在高速飞行列车全速度域范围内有效且准确地实现阻尼器的抑制效果。
应理解，在本实用新型的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本实用新型实施例的实施过程构成任何限定。
还应理解，在本实用新型实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实用新型实施例方案的目的。
另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，设置于列车上，其特征在于，包括：
阻尼线圈、控制组件以及逆变电路；
所述控制组件用于根据列车的垂向速度信号生成第一开关信号；所述垂向速度信号表征列车在垂直方向的速度；
所述逆变电路用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电流并反馈至所述阻尼线圈；
所述阻尼线圈用于根据所述输入电流产生阻尼力。
2.根据权利要求1所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，还包括：滤波器，用于对所述垂向速度信号滤波后再发送给所述控制组件。
3.根据权利要求1所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，所述逆变电路为单相全桥逆变电路，所述控制组件输出的第一开关信号控制所述单相全桥逆变电路中两对桥臂的导通与关断以控制所述逆变电路。
4.根据权利要求3所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，所述第一开关信号为两路IGBT开关信号，每路IGBT开关信号分别控制一个桥臂。
5.根据权利要求1所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，所述控制组件包括：指令电流模块、PI控制模块以及高频调制模块；
所述指令电流模块接收所述垂向速度信号并生成参考电流后输出至PI控制模块；
所述PI控制模块接收所述逆变电路反馈的输入电流，并将所述输入电流与参考电流进行比较后输出指令信息；
所述高频调制模块接收所述指令信息，并对所述指令信息进行调制以生成第一开关信号，所述第一开关信号为方波信号。
6.根据权利要求5所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，所述高频调制模块通过高频三角波对所述指令信息进行调制以生成占空比变化的方波信号。
7.根据权利要求1所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，所述逆变电路还用于根据所述第一开关信号输出相应的输入电压；
所述阻尼线圈还用于根据所述输入电压产生阻尼力。
8.根据权利要求1所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器，其特征在于，所述控制组件还用于根据列车的纵向速度信号和/或导向速度信号生成第二开关信号；
所述逆变电路还用于根据所述第一开关信号以及第二开关信号输出相应的输入电流并反馈至所述阻尼线圈。
9.一种用于超导电动悬浮系统的阻尼设备，其特征在于，包括：
如权利要求1-8任意一项所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼器以及加速度传感器，所述加速度传感器用于采集列车的垂向加速度，并根据所述垂向加速度获得垂向速度信号。
10.根据权利要求9所述的一种用于超导电动悬浮系统的阻尼设备，其特征在于，包括：
所述加速度传感器还用于采集列车的纵向加速度和/或导向加速度以分别获得纵向速度信号和/或导向速度信号。
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