（电力电子与电力传动专业论文）磁浮列车间隙传感器齿槽效应补偿研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l | 页 a bs t r a c t a sap e r f e c tv e h i c l eo nl a n d ，h i 曲s p e e dm a g l e vv e h i c l e ( h s m v ) i sc h a r a c t e r i z e db y h i g hv e l o c i t y ，l e s se n e r g yc o n s u m i n g ，l o w e rn o i s e ，s a f e t ya n dc o m f o r te t c t h eg a ps e n s o r p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ef o re l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i v es y s t e mw h i c hi sac r i t i c a lc o m p o n e n t o fh s m v t h eg a ps e n s o ri sat y p eo fi n d u c t a n c ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ，i tm e a s u r et h eg a p b e t w e e nt h ec o g g i n gs u r f a c eo ft h el o n gs t a t o rr a i l ( l s r ) a n dt h ee l e c t r o m a g n e t ，a n ds e n d t h i si n f o r m a t i o no ft h eg a pt ot h es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m s i n c et h el s rt ob ed e t e c t e d w i t hc o g g i n gs t r u c t u r e ，w h i c hm a k e st h eg a ps e n s o r so u t p u tw i t hc o g g i n ge f f e c t w h e n c o g g i n ge f f e c tt o ob i gw i l la f f e c tt h es u s p e n s i o nc o n t r o lo fh s m v ，t h u sa f f e c t i n g t h en o r m a l o p e r a t i o no fh s m v i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fm a g l e vt r a i na n dr e d u c i n g c o g g i n ge f f e c to fh s m vg a ps e n s o r ；t h e ni n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fg a ps e n s o r ，a n da n a l y s i s t h ee f f e c to fl s r 、sm a t e r i a la n ds t r u c t u r e ；f i n a l l yi n t r o d u c et h er e a l i z a t i o no ft h eg a ps e n s o r e a c hc o m p o n e n tu n i t t h r o u g ha n a l y s i s i n gc o g g i n ge f f e c td a t ao fg a ps e n s o ru s i n gr e c t a n g u l a rd e t e c t i o n c o i l s ( r d c ) ，g e tt h er u l eo fr d c i n d u c t a n c ev a r i e sw i t hg a pa n dc o g g i n gl o c a t i o n ，a n d s i m p l i f ys i m u l a t i o nm o d e l i na d d i t i o n ，d i s c u s s i n gt h em e t h o do fs e l e c t i n gg a pc a l i b r a t i o n p o s i t i o ni n o r d e rt or e d u c e g a pe r r o rr e s u l tf r o mc o g g i n ge f f e c ta n dt h e m e t h o do f a n a l y s i s i n gr d cm a g n e t i ci n d u c t i o nu s i n gm a g n e t i z a t i o nc u r r e n t s i m u l a t es t a t i cm a g n e t i cf i e l do ft h es y s t e mc o m p o s eo fr d ca n dl s r u s i n ga n s o f l m a x w e l l3 df m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e d e s i g nan e wt y p ed e t e c t i o nc o i l ，a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tm a g n e t i ci n d u c t i o nd i s t r i b u t i o nt h a tr d co nt o o t ha n do ns l o t o p t i m i z et h en e wt y p ed e t e c t i o nc o i lp a r a m e t e r su s i n ga n s o f lm a x w e l l3 d ，t or e a c h m i n n u mc o g g i n ge f f e c tw h e ng a pa b o u t10 m i l l f i n a l l y ，a c c o r d i n g t op a r a m e t e r sr e s u l tf r o m s i m u l a t i o n ，a c t u a l l yp r o d u c en e wt y p ed e t e c t i o nc o i l ，a n dt h r o u g he x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o no f t h en e wt y p ec o i lc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o g g i n ge f f e c t k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n ；g a ps e n s o r ；c o g g i n ge f f e c t ；m a x w e l l3 d ；d e c t c t i o nc o i l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 一 ，+ 1 保密j 在i 。乒解密后适用本授权书； 2 不保密谢使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签至多荔荔雩秀夕气夕 日期：旦力fd 歹3 虱 蟛箩1 彩墨 噫9 名h r 签 尸 耆1 作 玑 划 瑚 啪 日 位学 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 ，利用a n s o t tm a x w e l l3 d 对平面矩形线圈和长定子轨道组成的系统进行静磁仿 真。 2 ，根据仿真得出的磁感应强度分布规律，设计了能减小齿槽效应的检测线圈，并 利用a n s o f tm a x w e l l3 d 对改进线圈参数进行了优化。 3 ，根据优化参数制作改进线圈p c b ，通过实验验证改进线圈能有效减小齿槽效应。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：留嘭】勾 日期：砂j 。卜弓1 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外磁悬浮列车发展概况 国外对磁浮列车的研究比较早，现在国外有许多国家开展对磁悬浮列车的研究， 包括德国，日本，法国，美国，韩国、瑞士、俄罗斯等国，其中德国和日本是对磁悬 浮列车研究比较成熟的国家。国内从2 0 世纪8 0 年代开始磁悬浮列车的研究，主要有 西南交通大学，国防科技大学和中国科学院从事这方面的研究。 德国是最早开始研究磁悬浮列车的国家【1 】，1 9 3 4 年赫尔曼肯佩尔就取得了磁浮铁 道基本专利。1 9 7 1 年德国梅塞施密特伯尔考布洛姆( m b b ) 公司制成全尺寸的载人原理 车，车辆空重4 8 吨，电磁支撑和导向系统采用异步短定子直线电机，最高时速9 0 公 里。这是世界上第一个具有载人能力的全尺寸磁悬浮列车。同年克劳斯玛费公司在 其小型磁悬浮模型车t r 0 1 的基础上发展了t r 0 2 ，1 9 7 3 年又研制成功了t r 0 4 。它们 的特点是：倒u 形的轨道与u 形电磁铁构成的悬浮系统，具有侧向自稳功能，无需另 加有源导向系统：在车厢地板上固定四个电磁铁，这四个电磁铁之间是一种刚性的结 构约束，没有相对运动自由度；采用短定子( 在车上) 异步电机推进。系统结构比较简 单，容易实现。这一时期，虽然各项研究都取得了很大的进展，但发展磁悬浮列车的 结构概念是错误的：人们用刚体自由运动的飞行器概念来设计磁浮列车系统，导致当列 车的时速超过2 0 0 公里后出现了许多无法解决的问题。随后，德国人将这一错误的概 念纠正过来，发展出了分层递阶的悬浮控制结构和长定子推进技术，并将它们结合在 一起形成了t r 0 5 系统，该系统在1 9 7 9 年汉堡国际交通展览会上展示，获得了巨大的 成功。t r 0 5 系统轨道长度为9 0 8 米，车长2 6 米，车重3 0 8 吨，采用长定子直线同步 电机推进，运行时速7 5 公里。在t r 0 5 的基础上，德国开始筹建e m s l a n d 试验场，线 路总长3 1 5 公里，南环路半径1 0 0 0 米，设计时速2 1 8 公里，北环路半径1 6 9 0 米，设 计时速2 6 8 公里。第一个试验型号为t r 0 6 。t r 0 6 的结构概念和推进技术与t r 0 5 基 本一致，但其车辆系统比较复杂。1 9 8 8 年，t r 0 6 的最高运行时速达到了4 1 2 6 公里。 此后，德国人对车辆进行了改善( 简化) 和优化，使车辆重量进一步减轻，可靠性进一步 提高，研制出了t r 0 7 ，并于1 9 8 9 年开始在e m s l a n d 试验场投入试验，最高试验时速 4 5 0 公里。同时，在1 9 9 9 年9 月德国推出的应用型号t r 0 8 。 西南交通大学硕士学位论文第2 页 日本的常导磁悬浮系统研制是由航空公司( j a l ) 承担的，它的出发点是为了解决机 场与市区之间的交通问题。自1 9 7 4 年开始至1 9 9 0 年，j a l 已先后研制了h s s t 0 1 至 h s s t 0 5 五个试验型号，目前正朝商业运营方向发展。日本人认为，由于磁浮列车乘坐 舒适、噪声低、无环境污染、操作维护方便，允许较小的转弯半径，具有较大的爬坡 能力，并能适应冰雪覆盖等恶劣气候条件，因而适合于中低速的市内交通。h s s t 1 0 0 系列就是针对这个目的而设计的，其最大时速约为1 0 0 公里，包括h s s t 1 0 0 s ( 短车) 、 h s s t 一1 0 0 l ( 长车) 。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始磁悬浮列车的研刭2 1 。1 9 8 9 年1 2 月，国防科技大学研 制出我国第一台小型磁悬浮原理样车。1 9 9 5 年，国防科技大学研制成1 台磁转向架， 首次实现了全尺寸单转向架的载人运行，可用4 个磁转向架承载1 辆1 4 米长的磁悬浮 车。该车扣除车体重量，可承载4 0 人，在1 2 米长的试验线上进行了缓起、缓落、缓 慢移动、制动及抗侧向力等简单试验，试验结果令人满意。同期，西南交通大学研制 成1 台4 吨重的小型常导磁悬浮实验车，该车由两个电解藕磁转向架组成( 后来又改进 为机械解祸的磁转向架) ，并在3 6 米长的试验线上进行了试验。铁科院、长春客车厂 等研制了一辆6 吨重的磁悬浮车，该磁悬浮车装配了中科院电工所专门研制的短定子 直线发动机，功率为9 3 千瓦。2 0 0 1 年2 月，西南交通大学研制成功了“高温超导磁悬 浮试验车”，该车悬浮重量为5 3 0 千克，悬浮净高度为2 3 毫米，使用直线电机驱动。 2 0 0 1 年8 月1 4 日，由西南交通大学、长春客车厂和株州电力机车研究所共同研制的我 国首辆磁悬浮客车在长春客车厂竣工下线，标志着我国继德国、日本后成为第三个掌 握磁悬浮客车技术的国家。该车为常导式磁悬浮车。2 0 0 2 年4 月我国第一条磁悬浮列 车试验线在国防科技大学建成通车，该试验线是北京八达岭长城磁悬浮列车旅游线的 前期工程，也是我国第一条中低速磁悬浮列车试验线。线路长2 0 4 米，设计时速为1 5 0 公里，包括一段半径1 0 0 米的弯道和4 0 度的坡度，完全是按照实际运营线路标准建造 的，可满足磁悬浮列车运行的各项试验要求，各项技术性能良好，在这条磁悬浮试验 线上运行的磁悬浮列车自重2 0 吨，车厢( 首车) 长1 5 米，宽3 米，载重量可达l o 吨， 设有4 4 个座位，可载客1 3 0 多人。 在发展高速磁悬浮方面，我国则处于刚刚起步的阶段。上海磁悬浮列车示范运营 线采用德国t r 0 8 的技术，它西起上海地铁二号线，东至浦东国际机场，全长约3 0 公 里，运行最高时速4 3 0 公里。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 1 2 本论文的研究对象 目障愕感器 圈1 1t r 0 8 系列常导高速磁悬浮列车车辆与轨道关系 本文研究的磁浮列车间隙传感器是针对在上海运营的德国t r 0 8 系列高速常导磁 浮列车n 其属于磁悬浮列车众多种类中的一种，车辆与轨道关系如图1 1 所示。列 车运行时，车体与轨道完全不接触。悬浮电磁铁将车辆往上吸；导向电磁铁保证列车 沿线路两侧的定位。悬浮导向控制系统m ”是高速碰浮列车系统的关键和核心，保证悬 浮与导向电磁铁与轨道间约i o r n m 的间隙。而悬浮、导向间棘测量单元又是悬浮导向 控制系统的重要组成部分，控制系统采用反馈控制，由悬浮、导向测量单元将列车的 悬浮、导向间隙信号等反馈给控制器，故悬浮、导向测量单元是否能提供高精度、无 延时的悬浮和导向间隙信号、对磁浮列车平稳高速的运行非常重要。 在高速常导磁浮列车中，采用电感式位移传感器的原理泉检测悬浮间隙，根据检 测线圈电感量大小来确定检测线圈与被测物体之间距离。为了提取线翻的电感量，将 线圈接入并联谐振电路，通过引入固定频率的激励源，调节与线圈并联电容的大小， 使线圈和电容组成的并联电路处于谐振点附近。当改变线圈与被测物体问的距离改变 时，线圈的电感微变但并联谐振阻抗z 将变化比较大。通过串联电路提取l c 并联 谐振电路上的电压幅值，该值的大小反映了检测线圈与被测物体之间的距离。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 ， 考，曹奠互 t t 一一一：一一一一 图1 2 悬浮电磁铁、间隙传感器、长定子轨道位置关系 由于在高速常导磁浮列车中，间隙传感器的被测物体是长定子轨道，跟普通的电 感式位移传感器相比有其特殊性。悬浮电磁铁、日j 隙传感器、长定子轨道位置关系如 凰1 2 所示，可以看出问隙传感器检测线圈嵌套在电磁铁磁极之间，检测线圈平面正 对着齿槽周期交错的长定于表面悬浮间隙是指传感器检测线圈与长定子齿面之间的 间隙，但是随着检测线圈对应长定子轨道的齿或槽的不同，线圈的等效电感也会有所 不同，导致传感器输出表现有周期的纹波扰动。所以即使悬浮问隙传感器与长定子表 面之问的间隙保持恒定不变，只要间隙测量的检测线圈与长定子轨道之间在列车的行 进方向上有变化，传感器的输出信号就会表现为与齿槽规律性相关的波动信号，定义 这种与长定子齿槽周期相关的波动为齿槽效应。齿槽效应若是无法有效遏制，那么悬 浮控制系统将无法分辨该扰动是由于齿槽引起的，还是悬浮气隙在正常调整过程中所 引发的，最终将导致车体振荡。因此要使磁浮列车平稳高速的运行，必须减小长定子 轨道的齿槽对悬浮间隙测量的影响使得悬浮间隙传感嚣对齿槽形状表面不敏感，同 时叉可敏感地感知悬浮间隙变化，展终能给悬浮控制系统提供准确的悬浮b j 隙信号。 1 3 悬浮间隙传感器齿槽效应研究现状 为了给高速磁浮列车提供准确的悬浮间隙信号，德国西南交通太学、国防科技 大学等，都有针对高速磁浮列车间隙传感器的齿槽效应进行专门研究。为了减小齿槽 西南交通大学硕士学位论文第5 页 效应，都对间隙传感器的检测线圈进行了专门的改进设计【6 ，现在德国t r 0 8 系列磁 浮车间隙传感器使用的检测线圈结构如图1 3 ，该结构的检测线圈称之为立体检测线 圈，实测采用立体检测线圈间隙传感器的齿槽效应和气隙误差分别如图l 一4 和图l 一 5 。 b l 图1 3 立体检测线圈示意图 田f l l l t 侍瘩嚣在不同气璩求平善劫气融标定出 c l c 球单位量，l m 。j 图1 4 立体检测线圈在不同高度的齿槽效应 文献o 】分析了该结构的检测线圈减小齿槽效应的原理。在实际应用中该检测线圈 能有效减小齿槽效应，并且该检测线圈的齿槽效应引起的气隙误差不会引起车体振荡， 能满足高速磁浮列车稳定运行的要求。但是由于该检测线圈是立体结构，制作麻烦， 西南交通大学硕士学位论文第6 页 需要用软性p c b 制作，制作费用昂贵，而且用软性p c b 制作的各个线圈之间尺寸误差 比较大，使得各悬浮间隙传感器参数不统一，大大地增加了传感器后期调试的工作量。 因此有必要对检测线圈的结构进行再改进，使其不仅能够减小齿槽效应，而且易于加 工制作。 e e 瓷：， 型 簌 靶 涸 德国传感器齿槽效应 图1 5 立体检测线圈在不同高度时的气隙误差 1 4 本论文的目的与主要内容 本论文的目的就是设计结构简单，易于制作的检测线圈，使得采用该检测线圈的 悬浮间隙传感器对长定子轨道的齿槽结构不敏感，同时又可敏感的感知悬浮间隙变化， 能提供使磁浮列车稳定运行的气隙信号，也就是其齿槽效应至少跟立体检测线圈的一 样，或者更小。 为了设计符合要求的改进检测线圈，本人主要做了以下工作： l 、调研近几年悬浮间隙传感器的设计方法及齿槽效应补偿方面的技术文献。 2 、分析采用矩形检测线圈间隙传感器的齿槽效应数据，得出矩形检测线圈电感随 齿槽位置变化的规律。 3 、利用a n s o t 置m a x w e l l3 d 电磁场有限元分析软件，对矩形检测线圈与长定子轨 道组成的系统进行静磁特性仿真，并根据仿真得出的磁感应强度分布规律以及矩形线 西南交通大学硕士学位论文第7 页 圈电感随齿槽位置变化的规律，设计了结构简单且能有效减小齿槽效应的检测线圈结 构，同时进行了实验验证。 本文的主要内容安排如下： 1 ) 国内外磁浮列车发展概况，高速磁浮列车悬浮间隙传感器齿槽效应补偿现状。 2 ) 分析悬浮间隙传感器原理及其实现。 3 ) 分析采用矩形检测线圈间隙传感器齿槽效应的规律，以及讨论了采用磁化电流 等效法分析矩形线圈磁场的方法。 4 ) 采用m a x w e l l3 d 软件对矩形检测线圈与长定子轨道组成的系统进行齿槽效应 及磁场仿真，根据仿真得出的磁感应强度分布规律设计了新型检测线圈。 5 ) 利用m a x w e l l3 d 软件对新型检测线圈进行参数设计，使得间隙传感器在磁悬 浮列车工作气隙时，齿槽效应最小。 6 ) 根据仿真得到的改进线圈参数，制作改进线圈p c b 并测试其齿槽效应，验证 其是否有效减弱齿槽效应。 7 ) 对本文进行总结，并对今后的研究进行展望。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 第2 章高速磁浮列车间隙传感器原理与实现 在磁悬浮列车处于悬浮状态时，悬浮控制系统必须能够实现悬浮电磁铁和轨道之 间的间隙为可控，而该系统首先要解决的就是如何测量悬浮间隙大小的问题，所以， 间隙传感器是高速磁浮列车系统中的一个非常重要的部件。本章主要介绍了高速磁悬 浮列车间隙传感器检测气隙的原理及其实现。 2 1 传感器类型的选择 列车运行时，车体与轨道之间没有任何机械接触，决定了间隙传感器的间隙测量 方式必须是非接触的。同时由于高速磁悬浮列车是工作在野外环境当中，悬浮间隙传 感器必须能够适应多种环境。在非接触测量的光电、红外、电感等主要方式中，电感 式通过检测线圈的电感变化来测量间隙，其比较适合几毫米到几十毫米的测量范围， 它不受环境因素限制，不受天气情况影响，在被测导体表面潮湿，多尘情况下都能正 常工作，被常导磁浮列车广泛使用。因此经过综合比较多种位移测量技术，高速磁悬 浮列车的悬浮间隙检测采用了电感式位移传感器。 2 2 长定子轨道电磁特性与叠片结构影响分析 在高速常导磁浮列车中，采用电感式位移传感器的原理来检测悬浮间隙，根据 检测线圈电感量大小来确定检测线圈与被测物体之间距离。悬浮间隙传感器检测线圈 的等效电感主要由两部分组成：静磁效应引起的电感和电涡流效应引起的反射电感， 当被测导体磁导率和电阻率不同时，这两部分电感随间隙的变化不同。检测线圈的等 效电感【1 2 】可表示为： 止厶一考斋l 厶 ” ，r i1i 式中l 为等效电感，l lh ；l l 为静磁电感； r 2 ，l 2 分别为被测导体中涡流等效 电阻和电感；m 为互感；6 0 为激励角频率：r a d s 。式右边第二项为涡流反射电感。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 2 2 1 轨道材料对等效电感的影响 被测导体的磁导率和电导率对检测线圈等效电感影响很大，电涡流大小主要与电 导率有关，电导率越大，电涡流越大，其反射电感就越大。电导率和激励信号频率变 大时，反射电感就会变大，即增大电导率和激励频率可以增强涡流效应。静磁电感主 要与被测导体的磁导率有关，当被测导体为铁磁材料时，其磁导率远远大于周围介质 的磁导率，其静磁效应引起的电感随着间隙的减小而增加。当被测导体为非铁磁材料 时，静磁电感与间隙无关，此时检测线圈阻抗随间隙的变化主要受反射电感变化的影 响。因此，检测线圈等效阻抗随间隙的变化趋势是由被测导体的磁导率和电导率确定的， 并受到激励频率的影响。涡流在被测导体表面存在趋肤效应，其趋肤深度【1 孓1 4 j ： h = ( 2 2 ) 式中，h 为趋肤深度，m ；l ao = 4 n ：x 1 0 h m ；l a ，为导体相对磁导率；0 。为导体电导 率，s m 。h 与、l ao 、u ，、o 。的平方根成反比【1 5 】。1 t ，越高，趋肤深度越小，则在涡流 区的交流电阻越大，即0 。相同时，反射电感随着u ，的增大而减小，静磁电感则随之增加。 2 2 2 轨道叠片结构对等效电感的影响 静磁效应和涡流效应对线圈等效电感的影响相互抑制。当被测导体为叠片结构且 叠片方向与线圈轴线垂直时，涡流区电阻增大，涡流减小；当被测导体为非铁磁材料 金属导体时，由于涡流效应大大削弱，所以，电涡流传感器的灵敏度会降低很多，不 利于间隙检测；当被测导体为硅钢材料时，静磁效应为主要因素，电涡流抑制了等效 电感变化；被测导体为硅钢叠片结构时，涡流大小与叠片厚度大小平方成正比【1 5 】，磁 感应强度在边界满足磁场边界条件，磁场几乎垂直沿z 方向进入硅钢片。叠片结构的 总涡流为： 1 一 乞= 言崛脚冶“o s 耐 ( 2 3 ) 式中i s e 为涡流，单位：a ；n 为线圈匝数；d 为硅钢片厚度，单位：m ；b m c o s o ) t 为 检测线圈的平均磁感应强度，单位：t 。 由式( 2 3 ) 可以发现：叠片结构的涡流跟叠片厚度平方成正比，由于本论文的长定 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 子轨道叠片厚度比较薄，其产生的涡流非常小，可以忽略不计，因此叠片结构对高磁 导率材料间隙检测是有利的。 因为长定子轨道为叠片结构的铁磁型材料，磁导率高、电导率低，被测导体中产 生的涡流很小，可以忽略不计，所以线圈等效电感主要由静磁效应引起。 2 3 悬浮间隙传感器的实现 悬浮间隙传感器要把反应间隙大小的检测线圈电感转化为间隙信号传送给悬浮控 制系统，需要解决一下几个问题：检测线圈的激励源问，检测线圈上信号的提取，气 隙信号的模数转换，气隙信号的非线性矫正，气隙信号的输出。悬浮间隙传感器的系 统构成【16 】如图2 一l 。 2 3 1 检测线圈的激励源 图2 1 悬浮传感器系统结构 激励信号源是用来提供幅度与频率稳定的高频信号，以激励传感器l c 谐振回路， 若振荡频度不稳定，将引起l c 回路阻抗的变化【1 刀，其关系为： 肚砸z o 旺。4 j q 式中，z o 为谐振阻抗，f o 为谐振频率，z 为当激励信号的频度偏离回路固有频率时 回路所呈的阻抗。同样激励信号源幅度不稳定，也将导致输出电压变化。可见，激励 信号源的频度及幅度稳定与否，直接关系到整个传感器的稳定性。 为了得到高稳定的频率信号，采用专门定制的高稳定晶振提供原始频率信号，然 后通过p f g a 分频得到检测线圈需要的频率。这样f p g a 输出的就是频率和幅值都很 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 稳定的方波信号，而因f p g a 的驱动能力有限，需再接一个驱动模块来驱动检测线圈。 其部分电路如图2 2 。 图2 2 激励源部分电路 功率模块启动器采用m o s f e t 驱动器，m o s f e t 驱动器可以应用在高电平大电流 的应用场合，本论文中选用的是双通道、正反相输出的m i c 4 4 2 8 驱动器。上图方波信 号l 和方波信号2 是刚好反相的两路信号。 2 3 2 电感测量电路 电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路【1 8 棚】，阻抗z 的测量一般用 电桥，电感l 的测量电路一般用谐振电路，其中谐振电路又分为串联谐振和并联谐振 电路。本文所研究的传感器采用并联谐振电路来测量检测线圈的电感变化。其部分电 路如图2 3 。 8 2 0 p p f 图2 3 并联谐振电路 由于检测线圈l 1 的形状不规则，不易用公式计算出线圈的电感值l ，故采用实验 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 的方法确定l 值。用精密电桥测量并联谐振电路中探线圈的电感值为l ，根据激励频 率选配谐振电容c 3 。谐振回路的设计对整个传感器的设计至关重要，谐振电容选取高 稳定性的高频的电容。 调节电容c 3 ，使得检测线圈l 1 与电容c 3 发生谐振，此时在检测线圈两端输出的 是与方波信号同频率的正弦信号。通过差分电路来提取检测线圈两端的正弦信号，其 部分电路如图2 4 ：， 图2 4 差分电路 由于输入的频率在1 - 2 m h z ，频率比较高，故运算放大器采用高频运放a d 8 2 6 。 通过两个运放u 4 6 a 和u 4 6 b 产生两路刚好反相的正弦信号1 和正弦信号2 ，目的是 在后面的检波电路中使用。 2 3 3 检波电路 检测线圈两端提取的正弦信号的幅值是随检测线圈与长定子轨道之间的距离变化 的，需通过对该正弦信号进行检波得到反应间隙的幅值信号。调幅波检波也即是解调， 就是把调幅信号中的载波去掉，把调制信号即包络线取出，载波信号中虽含有调制信 号的信息，但只含有载波信号的频率成分。为此必须通过非线性器件，使之产生调制 信号的频率成分。 检波器的任务是从调幅波中取出有用的信号，当电感式传感器的的处理电路采用 调幅式时，输入到检波器的信号是幅度随位移变化的正弦电压信号，输出是检波后的 直流信号。检波器的输入输出特性如图2 5 。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 jl i 王7 、八八l vv 7 检波 器 图2 5 检波输入输出特性 本文采用多路模拟开关来实现检波【2 0 1 ，模拟开关采用7 4 h c 4 3 1 6 ，其为高速四通道 双向模拟快关，检波器部分电路如图2 7 。两个输入信号，正弦信号1 和正弦信号2 是在检测线圈两端提取，经过差分电路得到的两路反相的正弦信号。控制信号l 和控 制信号2 也是两路相差1 8 0 0 的脉冲信号，由f p g a 分频产生，并使控制信号与所控制 的模拟信号同相位。经模拟开关后合成的信号通过滤波器滤除高次谐波，剩下的就是 所要提取的信号检波信号l 和检波信号2 。检波器各信号波形示意图如图2 6 ： 正弦 信号1 正弦 信号2 控制 信号1 控制 信号2 检波 信号l 检波 信号2 厂八八八八八 一 vv vvvvvvv vv 一 厂八八八八、八八八八一 v v vvv v vvvvv n 广1 厂1nnnnnnnn 广1 一 ，斫碱籼瞬一 j i j 。a 拶赳筮aa 拶一 ： ： ： 图2 6 检波信号波形示意图 t 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 图2 7 检波器部分电路图 2 3 4 线性矫正、a d 转换、4 8 5 输出 一般希望测量仪表的输出量和输入量之间具有线性关系，而电涡流位移传感器的 转换原理就决定了输出量与输入量之间是非线性关系。因此在传感器设计中要采用适 当的方法进行线性校正【2 m 6 1 ，常用的方法有硬件线性校正法和软件线性校正法。硬件 法通常是采用在模拟量的输入通道中加入非线性校正电路来线性化处理，因而占用硬 件资源。软件校正法是在a d 转换之后，对转换得到的数据进行数字信号处理实现非 线性校正的，因而占用软件资源，这种方法有许多优点，首先它省去了复杂的线性校 正电路，简化装置；其次可以发挥计算机的智能作用，提高检测的准确性和精度；而 适当改变软件内容，可对不同的传感器特性进行校正补偿，也可以利用一台微机对多 个通道、多个参数进行补偿。采用软件实现数据线性化一般有三种方法：计算法、查 表法和插值法。而计算法和插值法都需要较复杂的数字信号处理，不适合在f p g a 里 实现，查表法其实现简单、速度快易于实现，故采用查表法进行间隙信号的线性校正。 查表法把测量范围内参量变化分成若干等分点，然后，由d , n 大顺序计算或测量 出这些等分点相对应的输出数值，这些等分点和其对应的输出数据就组成一张表格， 把这张数据表格放在计算机的存贮器中。软件处理方法是程序中编制一段查表程序， 当被测量参量经采样转换后，通过查表程序，直接从表中查出对应的输出量数值。查 表法所获得数据线性度，除与a d 转换器的位数有很大关系之外，还与表格数据多少 有关。位数多和数据多则线性度好，但转换位数多则价格昂贵；数据多则要占据相当 大的存贮容量。 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 图2 8 线性校正原理不恿图 测量单元的线性校正原理图如图2 8 所示。( a ) 图是没有进行线性校正的输入输出 关系，( b ) 图中输入与输出之间是线性的关系，校正前和校正后的输出之差为线性校正 时所需要的修正值。 高速磁浮列车运行时速最高可达5 0 0 k m ，为了保证测量单元的实时性，采用f p g a 进行信号处理，外部扩展有高速a d 、f l a s h 和r s 4 8 5 串行通信芯片等。如图2 9 所示。 图2 9f p g a 信号处理部分硬件框图 通过简单的比例电路把通过检波器得到检波信号1 和检波信号2 ，调理到a d 转 换芯片的输入范围内。a d 芯片采用的是m a x i m 公司的m a x l 3 1 2 ，其输入范围为 1 0 v - - , + 1 0 v ，1 2 位双向并行数据总线来提供转换结果，具有转换时间快，吞吐率高的 特点。存储非线性矫正表的芯片采用a t m e l 公司的大容量f l a s h 芯片a t 4 9 b v l 6 2 a ， 可存储2 m * 8 b i t 数据，最高读写速度为7 0 n s 。 传感器与控制单元之间的通讯方式采用r s - 4 8 5 串行标准，因为r s 4 8 5 接口具有 良好的抗噪声干扰性、传输距离远，可达3 0 0 0 米、传输速率快，可达1 0 m b p s 、接口 电平低，与t t l 电平兼容，方便与t t l 电平电路连接。 信号处理系统采用x i l i n x 公司s p a r t a ni ie 系列的x c 2 s 5 0 e 芯片【2 7 棚】，其主要 功能是控制a d 转换、采集a d 转换结果、对采集的气隙信号进行线性校正、把校正 过的气隙信号通过r s - 4 8 5 发送到悬浮控制器。f p g a 的工作流程如图2 1 0 - 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 图2 1 0f p g a 的工作流程 查表法是一种常用的线性校正方法，预先通过实验校准，将传感器a d 采样的输 入和实际的值比较，将结果存入存储器中，对应每一个输入相应查表得到一个输出。 间隙信号经a d 输出为1 2 位数据，故可以通过输入输出链表直接得到真实的结果。 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 第3 章高速磁浮列车间隙传感器齿槽效应分析 被测定子轨道导体表面的齿槽结构使得高速磁悬浮列车的间隙传感器测量对象有 一定的特殊性。普通的位移传感器由于物体被测面是平面结构，因此不管传感器的位 置如何变化，只要保证它与被测物体之间的距离不变则输出就不会变化。而高速磁浮 列车的间隙传感器即使在间隙不变的情况下，如果传感器所处的位置不同也会使输出 不同，这是因为传感器的位置不同，它所对应的齿槽分量也不同，会导致输出发生变 化。因此如何保证测量时能够使传感器的输出基本不受这种齿槽结构的影响( 在一定误 差允许范围内) 就成为了该间隙传感器研究的关键问题。本章主要对采用矩形检测线圈 间隙传感器的齿槽效应进行分析，并讨论了采用磁化电流等效法对矩形线圈的磁感应 强度进行分析的方法。 3 1 矩形线圈的齿槽效应 长定子轨道具有特殊的齿槽结构，其中齿和槽各占4 3m i l l ，一个齿槽周期的长度 为8 6r l l l l l ，在定子的槽中安装有直线电机绕组用于磁浮车推进。如图3 一l 所示，其中 矩形表示间隙传感器的矩形检测线圈。这种有规律的凹凸表面将使传感器间隙输出信 号带有额外的纹波扰动，即在列车运行时，即使检测线圈与长定子之间的间隙保持不 变，传感器输出仍会有波纹扰动的存在，这就是悬浮间隙检测中的齿槽效应。 图3 1 检测线圈与具有齿槽结构的长定子轨道 在前面一章已论述了本文所研究的间隙传感器的原理与实现，并论证了检测线圈 在低气隙时的电感大于在高气隙时的电感。在气隙信号调理时，低气隙对应a d 转换 芯片的上限，高气隙对应a d 转换芯片的下限，因此气隙由小变大时，气隙模拟量就 由大变小，而a d 的转换位数是1 2 位的，其变化范围为4 0 9 5 , - - 0 。气隙与模拟量的关系 如图3 2 ： 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 ， 气隙v s 模拟量 图3 2 气隙与检测线圈电感关系 传统平面矩形线圈在不同气隙下平移两个齿槽周期测得未标定的气隙模拟量如图 3 3 所示，图形下方的方波代表齿槽。 平面矩形线田在不同鬲度平移过程中的镇拟量输出值 图3 3 矩形线圈在不同高度平移时的模拟量值 从上图可得，在气隙比较小时，线圈中心在齿上时的模拟量小于线圈中心在槽上 时的模拟量，模拟量最小值出现在线圈中心在齿槽交界处时；在气隙比较大时，线圈 中心在齿上时的模拟量大于线圈中心在槽上时的模拟量，模拟量最小值出现在线圈中 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 心在槽上时。根据气隙与电感、气隙与模拟量之间的关系，可得电感与模拟量之间的 关系为：模拟量越大电感越大，模拟量越小电感越小。因此可得：在气隙比较小时， 线圈中心在齿上时的电感小于线圈中心在槽上时的电感，电感最小值出现在线圈中心 在齿槽交界处时；在气隙比较大时，线圈中心在齿上时的电感大于线圈中心在槽上时 的电感，电感最小值出现在线圈中心在槽上时。 3 1 1 气隙标定位置选择 因为有齿槽结构的存在，在齿槽的不同位置，电感跟气隙的关系也会不同，尤其 是槽中心和齿中心，这两者的关系相差比较大，如图3 4 ： 线圈在槽中心和在齿中心电感气隙关系 图3 4 矩形线圈在槽中心和齿中心电感气隙关系 因此气隙标定位置的选择非常重要。假如标定位置选在齿中心或者槽中心，那么 线圈在槽中心上或在齿中心上时算出的气隙跟实际的气隙就会相差非常大。假如把标 定位置选在这样的位置上，该位置的气隙模拟量恰好是齿中心和槽中心模拟量的平均 值，那么标定误差就会比标定位置选在齿中心或槽中心时减小5 0 。 实际标定时，为了使磁浮列车在工作气隙下齿槽效应最小，标定位置在气隙为 l o m m 时，其模拟量等于线圈中心在槽上和在齿上时模拟量的平均值。根据此位置电感 与气隙关系标定出气隙如图3 5 ： 西南交通大学硕士学位论文第2 0 页 矩形线皤在不同两度平移过程中的气隙输出值 图3 5 实验测得矩形线圈齿槽效应 图3 6 实验测得矩形线圈在不同气隙时的气隙误差 传统平面矩形线圈在不同气隙下的齿槽效应，即传感器测得的气隙与实际气隙的 差值，从图3 6 可知，在工作间隙l o m m 时其齿槽效应大约在l m m ，这将直接影响 悬浮间隙的正常控制，从而引起车体的振动，影响乘坐舒适度。为保证悬浮间隙的稳 定控制，应使间隙传感器符合对齿槽形状表面不敏感，同时又可敏感感知悬浮间隙变 西南交通大学硕士学位论文第2 1 页 化的要求。传统平面矩形线圈无法满足该要求，因此需要对线圈结构进行分析和设计。 根据前面分析得到的电感在不同气隙时，在不同水平位置的变化规律，要减小齿 槽效应应该按照如下规则来设计检测线圈：在低气隙时，要减少线圈中心在槽上时的 电感，在高气隙时要减小线圈中心在齿上时的电感。 根据电感【2 9 】的定义： 三= 竺= 丝 ii ( 3 1 ) 其中1 l r 为线圈总磁链，i 为通过线圈的电流，6 0 为线圈的匝数，巾为通过线圈的磁 通。其中磁通为： = q b d s ( 3 2 ) 磁通巾是由磁感应强度决定，因此要使线圈电感朝减小齿槽效应的方向改变，就 需要对检测线圈在不同位置时的磁感应强度分布进行分析计算。 3 1 2 分析模型简化 曰 瑚 国 锄 槽中心有无绕组电感差值 图3 7 矩形线圈在槽中心有无绕组电感与气隙关系比较 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 趔 i i i 躜 锄 齿中心有无绕组电感差值 图3 8 矩形线圈在齿中心有无绕组电感与气隙关系比较 如图3 1 ，定子轨道中安装有用于磁浮列车推进的直线电机绕组，其由高电导率， 低磁导率的铝组成。线圈中通有高频的激励信号，因此在电机绕组中肯定会产生涡流， 从而也会影响检测线圈的电感。 检测线圈的电感不仅受到定子铁心轨道的影响，而且也受到了定子绕组的影响。 若对检测线圈的磁场分析计算时，把定子绕组的这个因素也包括进去，会使得分析相 当复杂，甚至无法解。因此考虑在分析计算时，是否可以忽略定子绕组的影响。 为了分析定子绕组对检测线圈电感的影响，通过实验分别测试检测线圈在有无绕 组时的电感，然后对其进行比较分析，分别测得检测线圈在槽中心和在齿中心时，有 无绕组气隙与电感的比较如图3 7 ( 图a ：有无绕组气隙电感关系比较，图b ：有无绕 组在不同高度时的电感差值) 和如图3 8 。 如图3 7 当检测线圈在槽中心上，在低气隙时，有绕组时的电感小于无绕组时的 电感，在高气隙时，有绕组时的电感大于无绕组时的电感。如图3 8 当检测线圈在齿 中心上，无论在低气隙还是在高气隙，有绕组时的电感比无绕组时的电感大。 无论线圈中心在槽上还是在齿上，因电机绕组而引起的检测线圈的电感变化非常 小，因此在计算检测线圈磁场和电感时，只考虑定子轨道对它的影响，而忽略绕组对 西南交通大学硕士学位论文第2 3 页 它的影响，也不会对分析结果产生多大影响，也能得出正确的解。鉴于此，在后文的 计算和仿真中，不再考虑电机绕组影响，采用如图3 9 的简化模型来仿真计算。 3 2 磁化电流分析方法 图3 9 简化分析模型 要计算有导磁介质存在时的磁感应强度，只需要把磁化电流考虑进去，与通常所 称的传导电流一起计算它们在真空中产生的磁感应强度即可【捌。即介质磁化后，空间 任一点的磁感应强度由该条件下，一切传导电流( 即运载电流) 产生的磁场与一切磁 化电流产生的磁场叠加而成。 3 2 1 等效检测模型 图3 1 0 分子电流不意图 根据分子电流学说，铁磁物质内部有无数的分子电流环组成的磁分子。在没有外磁 场的作用下，各分子电流环的取向是杂乱无章的，磁矩相互抵消，从宏观上看不显示 磁性，如图3 一i 0 ( a ) 所示。当给铁磁物质施加一磁感应强度为b o 外加磁场( 称为磁化场) 时，在磁化场的力矩作用下每个分子环流的磁矩在一定程度上沿着场的方向排列起来， 此时铁磁物质成为磁化状态，如图3 1 0 ( b ) 所示。图3 1 0 ( b ) 右方是磁化了的铁磁物 质的横截面图。由图可