（电力电子与电力传动专业论文）高速磁浮列车悬浮间隙传感器齿槽效应的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s 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 g hs p e e dm a g l e vv e h i c l e ( h s m v ) i s c h a r a c t e r i z e d b yh 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 r n o is 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 rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e f 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 ， itt e s tt h eg a pb 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 il a n d t h ee 1 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 e s u s p e n s i o n c o n t r o l s y s t e m b u t t h e s u s p e n s i o n c o n t r o l s y s t e m i s e f f e c t e db yt h ee r r o r sw h ic hp r o d u c eb yt h eg r o o v ee f f e c to ft h eg a p s e n s o r ，t h u sh s m v 、sw o r kis e f f e c t e d i nt h isp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fh s m va n dt h eg a ps e n s o r i si n t r o d u c e d ，t h e nt h ei n d u c t a n c es e n s o ri si n t r o d u c e d ，a n dt h ed e s i g n o fas u s p e n d i n gg a pm e a s u r e m e n tm o d u l ei si n t r o d u c e d ，a n dr e q u i r e m e n t s o ft h ei n d u c t a n c es e n s o rf o rh s m vi si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r ，anewm e t h o df o rc a c u l a t i n gm a g n e t i ci n d u c t i o nb y e q u i v a l e n tc o i l si su s e d ，t h ev a r i a t i o no ft h et e s tc o i l sm a g n e t i c i n d u c t i o ni ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d o nt h eb a s eo fs i m u l a t i o na n d c a l c u l a t i o n ，t h er e a s o no ft h eg r o o v ee f f e c ti sd e t a il e da n a l y s i s s u b s e q u e n t l y ，t h i sp a p e re m p h a t i c a ll ya n a l y s e ss e v e r a lf e a s i b l e p l a n f o r r e d u c i n g t h e g r o o v e e f f e c t ，a n dc o m p a r e t h e s e p l a n s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e n ，an ews t r u c t u r eo ft e s tc o i1i s d e s i g n e da n da n a l y s i s e d t h i sn e wt e s tc o i li sc o m p o s e do f4s e r i e s c o i l s t h i sn e wt e s tc o l li si n s e n s i t i v et ot h ec o g g i n gs t r u c t u r eo f t h et h el o n gs t a t o rr a il a n dc a nr e d u c et h eg r o o v ee f f e c t s f i n a l1 y ，t h i s newt e s tc o i1w a st e s tb yt h em e a s u r e m e n tu n iti nt h ee x p e r i m e n t a l t a b l e ，a n dt h er e s u l to fr e d u c i n gt h eg r o o v ee f f e c tw a sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：h i g hs p e e dm a g l e vt r a i n ，i n d u c t a n c es e n s o r ，t e s tc o i1 s ， g r o o v ee f f e ct 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 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密击，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：辱移重 日期：，21 么哆 指导挪签名夕易致 醐2 泐侈占哆 西南交通大学学位论文创新性声明 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 他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的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本文的创新点在于： ( 1 ) 采用了等效线圈模型的方法来计算磁感应强度，考虑了磁化电 流变化对齿槽效应的影响，并对检测线圈的磁感应强度变化进行了仿真 计算，在仿真计算的基础上，详细分析了齿槽效应产生的原因。 ( 2 ) 最后设计并分析了一种新型的传感器检测线圈，这种特殊的串 联检测线圈对定子轨道的齿槽结构的周期变化不敏感，能够减小齿槽效 应 发书趣 似g 6 己了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 高速磁浮列车具有速度快、能耗低、噪音小、安全舒适等优点，是 一种非常理想的陆路高速交通工具。磁浮交通技术以其无机械接触的崭 新技术带来一系列优良的技术、经济和环境特征。列车运行时，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。悬浮导向控制系统是高速磁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l o m m 的间隙。而悬浮、导向间隙测量单元 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、导向间隙信号和加速度信号等反馈给 控制器，故悬浮、导向测量单元提供的高精度、无延时的悬浮和导向间 隙信号、加速度信号对磁浮列车的平稳而高速的运行尤为重要。 目前，国内已经掌握了中低速磁浮列车的关键技术，但对高速磁浮 技术的研究还有许多技术亟待解决。关于高速磁浮列车悬浮间隙测量单 元的研究具有很强的针对性，被测物体是具有齿槽结构的定子轨道和侧 面钢板。高速磁浮列车在中国的研究才刚刚起步。本课题的研究目的正 是为高速磁浮列车悬浮系统提供合适的间隙传感器。 1 2 国外磁浮列车的发展概况 德国是最早开始研究磁悬浮列车的国家。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 年德国梅塞施密特一伯尔考一布洛姆 ( 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 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21 8 公里，北环路半径16 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 12 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l9 9 9 年9 月德国推出的应用型号t r 0 8 。 德国除了发展常导吸浮型技术外，也曾发展过超导斥浮型磁悬浮列 车。在1 9 7 2 年研制成功重1 6 吨的e e t 一0 1 号车，时速达到1 2 0 公里，此 后试验时速提高到2 0 0 公里。与常导吸浮型磁悬浮列车相比，超导斥浮 型磁悬浮列车只适应于高速运行情况( 时速超过8 0 至1 6 0 公里以后，车 体才能上浮) 。此外，在能耗指标、强磁场辐射污染以及发展风险等方面 也都明显不如常导吸浮型列车。因此，在19 7 9 年，德国联邦政府研究和 技术部长( b m f t ) 作出了有利于长定子驱动系统和常导吸浮型悬浮系统 ( e m s ) 的系统决策，超导斥浮型系统的开发工作逐渐停止。 日本对超导磁悬浮列车的研究工作开始于六十年代中期，由日本国 铁负责研究。1 9 7 2 年，日本国铁研制了超导斥浮型磁浮试验车m l1 0 0 ， 1 9 7 4 年开始修建行车时速为5 0 0 公里的7 公里长宫崎试验线，至1 9 7 7 年全线建造完成。在宫崎县内，m l 5 0 0 试验车时速达到5 17 公里。19 8 0 年m l u 0 01 试验车在宫崎县内开始行车试验，共载客一万多人次，往返行 车9 0 0 0 余次，总行程达4 万公里。1 9 8 7 年3 月m l u 0 0 2 试验车开始在宫 崎县试车运行。1 9 9 3 年1 月制造的m l u 0 0 2 n 车，在宫崎县内最高时速达 4 2 0 公里。1 9 9 0 年，日本开始在山梨县建设新试验线路。l9 9 9 年4 月， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在日本山梨试验线上，超导磁浮列车载人运行试验时速达到5 5 2 公里， 创造了地面交通系统载人运行的最高速度纪录。1 9 9 9 年4 月，在这一试 验线上，两列磁浮列车相对开行，会车时的相对速度达到1 0 0 3 k m h ，再 次刷新了1 9 9 8 年1 2 月创造的速度为9 6 6 k m h 的世界纪录。目前，日本 仍在山梨线上继续进行系统耐久性、可靠性、舒适性等方面的试验。 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 一1 0 0 系列 就是针对这个目的而设计的，其最大时速约为10 0 公里，包括 h s s t 一1 0 0 s ( 短车) 、h s s t 一1 0 0 l ( 长车) 。 在2 0 世纪9 0 年代，美国科技界、工业界开始对磁浮列车技术表现 出十分浓厚的兴趣，1 9 9 3 年5 月，第l2 届国际磁浮列车会议在美国举 行。美国国会拟定拨款7 2 5 亿美元支持磁浮列车技术的发展，美国政府 也成立n m i 组织( n a t i o n a l m a g l e v i n i t i a t i v e ) ，拟分四个阶段发展此项 技术。现已进行系统概念定义( s c d ) 研究。s c d 方案中，三个为超导型， 一个为常导型。常导型的悬浮与推进系统原理上与德国的t r a n s r a p id 类似，但其采用超导型的概念，悬浮间隙为4 0 毫米，时速超过5 0 0 公里。 除了上述国家以外，韩国、瑞士、俄罗斯、法国等国也都有研究计 划。 1 3 我国磁悬浮列车的发展状况 我国从2 0 世纪8 0 年代开始磁悬浮列车的研究1 。1 9 8 9 年12 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12 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，该车由两个电解耦磁转向架组 成( 后来又改进为机械解耦的磁转向架) ，并在3 6 米长的试验线上进行了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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 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1 0 吨，设有4 4 个座位，可载客13 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，设计最高时速4 3 0 公里。 1 4 常导高速磁浮列车的原理与技术特点 本文涉及的是长定子直线同步电机驱动的高速常导磁浮列车，属于 磁浮列车众多种类中的一种1 1 。 1 4 1 悬浮原理 常导高速磁浮列车利用装在车辆两侧转向架上的常导悬浮电磁铁和 铺设在线路导轨上的导磁体，两者在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮 起，如图1 - 1 所示。车辆和轨道面之间的间隙与吸引力的大小成反比。 为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功 率，必须精确地控制电磁铁中的电流，以保持稳定的磁场强度和悬浮力， 使车体与导轨之间保持大约l o m m 的间隙。通常采用测量间隙用的间隙传 感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑 装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 导向和制动轨 长定子铁心和线圈 支撑架 图1 1 常导高速磁浮列车剖面结构图 1 4 2 导向原理 常导高速磁浮列车的导向系统与悬浮系统类似，是在车辆侧面安装 一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当 车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆 恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来调整这 一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。 1 4 3 推进原理 磁浮列车推进系统最关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它 的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其起动方式也 就由旋转运动变为直线运动。 常导高速磁浮列车采用长定子同步直线电机驱动。在轨道上安装三 相电枢绕组，车体中安装同步电极。采用轨道供电方式，利于高速运行。 高速长定子同步直线电机牵引系统的构成相对复杂。地面牵引系统， 供电一个区间长约为3 0 k m ，区间又分成许多段( 约3 0 0 m - 1 0 0 0 m ) ，每段只 有列车通过时供电，各段切换由触点真空开关完成。同时需两组逆变器 轮流供电，其特点为高压、大功率、大电流。 1 5 悬浮间隙传感器的作用 悬浮控制系统是高速磁浮列车的关键技术，而悬浮间隙测量模块又 是其中的重要组成部分。在高速磁浮交通系统中，轨道纵向剖面为独特 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的齿槽结构，传统的电涡流式传感器或变磁阻式传感器无法应用，因此 引入了基于电感式传感器的测量模块，通过引入特殊结构的探头线圈， 达到准确测量的目的。 1 5 1 间隙测量部分的位置 在常导高速磁浮列车系统中，由于将整个轨道作为定子，轨道面外 侧绕有地面电源激励的初级三相绕组，在轨道表面形成很强的行波磁场。 车载的悬浮电磁铁将车体悬浮起来的同时还要作为列车的推进部件，即 直线同步电机的次级。间隙传感器与直线同步电机的次级在结构上是相 邻的。悬浮电磁铁、定子轨道以及间隙传感器的位置关系如下图 图卜2 间隙传感器与磁浮列车的位置关系 信号接受处理部分位于控制箱内，一般可以把它作为控制器的前端 信号处理。如图卜2 。 1 5 2 间隙传感器的作用 间隙传感器是一种根据线圈电感量来确定线圈与被测导体之间距离 的测装置，理论依据是电感式传感器理论。为了提取线圈的电感量，将 线圈接入并联谐振电路，通过引入固定频率的激励源，使线圈电感处于 谐振点附近。当改变线圈与被测导体间的距离时，线圈的电感微变，但 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 并联谐振阻抗z 将变化放大。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导体之间的距离e 6 - 8 1 。 车载流电源 图卜3 间隙传感器的作用 由图1 - 3 可知，间隙传感器将电磁铁与轨道间的间隙值检测出来并 发送给信号接收卡，信号接收卡将信号经简单处理后上传至控制器，控 制器调节电磁铁的激励电流，从而形成了闭环控制系统并使电磁铁处于 稳定悬浮状态。 除了间隙信号，间隙传感器还检测了列车运行的速度信号和垂直地 面方向的加速度信号，这两个物理量对于列车的稳定运行也有重要意义。 高速磁浮列车在速度变化时，给定的悬浮间隙值是变化的，特别是 某一频率段内，列车本身抖动与轨道振动形成共振，更有必要将给定的 间隙值加大。因此高速磁浮列车间隙测量模块也集成了列车运行速度测 量的功能。 加速度信号的反馈不是控制必需的，但是引入加速度信号反馈能增 强控制系统的刚度旧。，降低乘客的不适感。 1 6 本论文的工作及研究意义 悬浮间隙传感器的齿槽效应使传感器输出存在额外的纹波扰动，它 将直接影响悬浮间隙的正常控制，从而引起车体的振动，危害磁浮列车 的正常运行。所以为保证悬浮间隙的稳定控制，间隙传感器要求具有对 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 齿槽形状表面不敏感，同时又可敏感感知悬浮间隙变化的特点。 本文作者在攻读硕士学位期间主要从事高速磁浮列车悬浮传感器的 研究。本人完成的工作主要包括： 1 、调研近几年的悬浮间隙传感器的设计方法及与传感器相关的技术文 献。 2 、在研究前人成果的基础上，结合自己参加项目的经验，对传感器与定 子轨道的磁场进行仿真计算，并研究了一种由4 个小线圈组成的检测线 圈结构，同时进行了实验验证。 本文的主要内容安排如下： 1 ) 国内外磁浮列车及传感器的发展状况 2 ) 通过仿真计算及实验的数据，分析齿槽效应产生的主要原因。 3 ) 分析减弱齿槽效应的几种方法，分析它们对减小齿槽效应的作用。 提出并设计新型串联检测线圈，同时验证了新型串联检测线圈对 减小齿槽效应的有效性。 4 ) 对本文进行总结，并对今后的研究进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章悬浮间隙传感器的结构及要求 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。本章主要介绍了间隙传感器的基本电路结构，以及高速磁浮 列车系统环境对其应用提出的要求。 2 1 传感器的种类及比较 间隙传感器实际上是一种位移传感器，测距传感器的种类繁多，包 括激光测距传感器、超声波测距传感器和电感式测距传感器等。德国高 速磁浮列车采用长定子驱动，定子轨道为齿槽结构，槽内铺设电缆，故 定子轨道面，即被检测面为不规则平面，所以普通现有测距传感器无法 正常工作。而且激光测距传感器和超声波测距传感器不适合测量变化范 围很小的位移量( 几个毫米) ，因此只能采用电感式传感器。 2 2 电感式传感器概述n 1 3 3 利用电磁原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线 圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化 量输出，这种装置称为电感式传感器。 电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定， 输出功率较大等一系列优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围 相互制约，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制， 在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器的种类很多，本章主 要介绍变磁阻式、电涡流式两种电感式传感器。 2 2 1 变磁阻式传感器 变磁阻式传感器结构如图2 1 ，它由线圈、铁心和衔铁三部分组成， 铁心与衔铁由导磁材料组成，如硅钢片。在铁心和衔铁之间有气隙，气 隙厚度为j ，传感器运动的部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度 发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 。r 一弋一十十件一一： 髟， l一 一订一一 l 铁拯 i 匕一 i l l i s i i l i i 一一一i 乜 衔铁 s ：髟 习l _ j 盖 - - f - 图2 - 1 变磁阻式传感器模型图 图中，厶是磁通通过铁心的长度，厶是磁通通过衔铁的长度，s 为 铁心的截面积，是为衔铁的截面积， 万为气隙的厚度。 根据电感定义，线圈中电感量为： l ：丝：型 ( 2 1 ) ii 其中少为线圈总磁链，为通过线圈的电流，i f ，为线圈的匝数，矽为 通过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得式： ，1 w 矽= 。 尺历 ( 2 - 2 ) 式中，以为磁路总磁阻。对于变气隙式传感器，因为气隙很小，可 以认为气隙中的磁场是均匀的，忽略磁路磁损，得式 如= 矗+ 去+ 轰 协3 ， 其中“是铁心材料的导磁率，鸬是衔铁材料的导磁率，厶是磁通通 过铁心的长度，厶是磁通通过衔铁的长度，s 为铁心的截面积，曼为衔 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 铁的截i i i i 积, , ，t o 为空气的磁导率，s o 为气隙的截面积，j 为气隙的厚度。 由于气隙磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，上式简化得 耻最 4 ， 由式2 1 和式2 4 得 三：罢：_ w 2 9 _ o s o ( 2 - 5 ) 如 2 万 上式表明，当线n 匝数为常数时，电感仅仅是磁路中磁阻r 的函 数，只要改变s 或万的值均可导致电感变化。因此，变磁阻式传感器又 可以分为变气隙厚度传感器和变气隙面积传感器。 2 2 2 电涡流式传感器 根据法拉第磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中作切割磁 力线运动时，导体内将产生呈漩涡状的感应电流，称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，按照电涡流在 导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式，基本原 理是类似的。 电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、速度、应力、表面 温度、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度 高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。 电涡流式传感器由传感器线圈与被测导体组成。根据法拉第定律， 当传感器线圈通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁 场，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流i ，i 同时又产生新的交变 磁场，根据楞次定律，磁场的作用将反抗原磁场，导致传感器线圈的等 效阻抗发生变化。 由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。 而电涡流效应既与被测导体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，又与 线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离有 关。 电涡流式传感器的等效模型如图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 u 图2 2 等效电路 其中r 。和l 为传感器的电阻和电感，r ：和l ：为被测金属导体的电阻 和电感。根据所设电流方向，得 ir + j c o l l i l j c o m l 2 = u 1 一嘲+ r 厶+ 缈r l = 0 ( 2 - 6 ) 由式2 - 6 解得如下式子： 厶= 即高叫鸠一嵩鸠卜7 ) ，一m m 2 l 2 i t + j c o m r 2 i z 屯一砭i 忑_ z = 卜南* 一鸣嵩 ( 2 _ 8 ， 所以，线圈的等效电感为： 三：厶一竺笙；厶 1 r 2 2 + ( 缈2 ) 2 2 因此，在普通金属导体的探测中，只与探头线圈本身的结构有关， 而与线圈、被测导体间距离x 无关。等效电感中的第二项为电涡流回路 的反射电感，随互感系数而变化。根据麦克斯韦关于互感系数的公式， 互感系数是线圈与被测导体之间距离x 的函数，在x 变小时，互感系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 增大。由上式知，在线圈靠近被测导体时，线圈的等效电感变小。 2 3 间隙测量系统的设计 2 3 1 悬浮间隙测量原理及功能 悬浮间隙传感器采用电感变化的传感方式4 埔。，当探头线圈远离或 靠近长定子直线同步电机的齿、槽表面时，由于磁路的变化使传感线圈 的等效磁链发生相应的变化，结果线圈的等效电感发生了变化，从而引 起电路的输出电量发生变化。除探头线圈外的所有部分都制做在一张 p c b 上进行信号处理，由信号处理板将探头线圈感应到的间隙变化转化 为电信号处理输出。信号处理板的主要功能包括电源处理、线圈激励、 感应线圈输出信号处理、线性校正、温度补偿及编码输出等。 悬浮间隙测量系统主要由测量单元、f p g a 信号处理部分和4 8 5 串行 数据发送部分构成，如下图所示。 司隙传 - i 未筹理h _ 叫发送部分l 感器 iill 探头 图2 3i 司隙传感器结构框图 当系统工作时，测量单元检测到间隙大小变化并把间隙值以电信号 输出给信号处理部分，检波放大后经a d 转换送至f p g a 进行数据处理， 主要解决传感器的线性校正和温度补偿问题，计算出当前悬浮间隙的标 准值，最后通过r s 4 8 5 串行口传送给悬浮控制系统。 针对长定子轨道这种特有的齿槽结构，使探头线圈的宽度等于一个 齿槽周期的宽度，这样无论线圈与定子的相对位置怎样改变，线圈所对 应的齿和槽的有效面积始终是一个齿和一个槽，以此来减弱齿槽结构对 间隙测量的影响。传感器工作在复杂的磁场环境中，将线圈制成“8 ”字 形，这样探头线圈分成两个绕向相反的线圈，以此抑制干扰磁场对线圈 的影响。 传感器探头由制作在印刷板上的矩形平面线圈与高频激励电源构 成。为了研究因磁路的变化而引起载流p c b 矩形线圈的等效电量参数发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 生变化之间的关系，有必要对p c b 矩形线圈的电感进行必要的分析与讨 论。目前，p c b 矩形线圈的电磁场分析比较困难，这在国际上也是一个 有待进一步研究的课题。 与理想电感不同，p c b 矩形线圈构成的电感有较大的、复杂的分布 电容。当电路工作在高频时，分布参数的影响使电感参数成为频变的而 非常数；同时趋肤效应将大大地增大线圈的电阻，这将减小电路的品质 因数，使信号的提取变得困难。频率越高分布参数的影响越严重。另一 方面，因电感线圈的品质因数与其谐振频率成正比，工作频率过低也会 降低谐振电路的品质因数。所以电路的工作频率应正确选择。 线圈的匝数直接影响到传感线圈电感值。在规定的尺寸界限内，较 大的电感值意味着较多的匝数和较细的线条宽度。当工作频率一定时， 电感值大，所需的电容值就小，电容值若很小电路受分布参数的影响大， 不利于电路的稳定工作：相反，电感太小也对电路工作不利，原因与上 述相同。所以，电感的设计要对规定的界限、电路的工作方式、激励信 号频率及幅值作一个总体的考虑。 在传感线圈的电感设计中参考了有关p c b 平面电感设计的资料，以 界限、线条宽度为主要限制条件进行了设计。 2 3 2 谐振电路类型的确定 在恒定频率激励方式下为获得足够大的信号与信号变化量，最有效 的方法是采用电路谐振方案1 引。即调整电路参数使其在远离检测面处 谐振，而在靠近检测面位置处非谐振( 因为电感变大，电路不再谐振) 。 由于在这两种状态下电路的输出有明显的差别，从而可以得到能够测量 与计数电机齿槽的电信号。 由电路理论知，谐振电路分为串联谐振与并联谐振两种类型。串联 谐振时，电路的电容与电感“中和”，其电抗为零，串联电路中电流最大 ( 或串联电阻上的电压最大) ；而非谐振时，电路表现出电容性或电感性， 电阻上的电压与最大值有明显差异，两种状态下的输出电压差值即是传 感器输出的有效信号，显然，它取决于电路的“品质因数和线圈电感 的变化量。 并联谐振时电路的电容与电感“中和”，等效电路的阻抗最大，理论 上可达无穷大值；而非谐振时电路表现出电容性或电感性，电路的阻抗 为某个有限值。两种状态下的输出阻抗差值即是传感器输出的有效信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 实际上电路中的电容与电感元件不可能为理想器件，当电感具有较明显 的串联电阻、电容有较明显的并联电阻时，它们对电路的特性有重大的 影响。 大量的实验及理论分析的结果均表明，串联谐振电路不适合本方案。 原因是由于串联电路的特性，输出信号必须从串联电阻上获取。加入电 阻将严重降低电路的q 值，影响电路的选频特性。此外，要想得到很低 输出阻抗的激励源是相当困难的。 并联谐振电路是一个合适的解决方法，它与串联电路正好相反，所 以效果较好。最终决定采用传感器线圈与谐振电容器并联、再与电阻串 联，从电阻上输出电压信号的方案。 2 3 3 线圈电阻对信号变化量的影响 当并联谐振电路中的电感线圈存在较显著的电阻时，其影响可由下 述的推导得出。设线圈电阻、电感分别是r 和l ，则电导为 lr j c o l _-。_。_。_。一=_-_-_一 r + j c o l ( 础) 2 + 尺2 ( c o l ) 2 + 尺2 ( 2 9 ) 变换到并联电路中的等效电阻 月：! 丝芝竺 r ( 2 1 0 ) 等效电抗 以：一( o g _ l ) _ 2 + r 2 = _ ， ( c o l ) _ 2 + r 2 ( 2 11 ) ，c o l c o l 当电路发生并联谐振时，由于等效电阻r 不是无穷大，它与输出电 阻的分压确定了输出电压的大小。同时，电路的品质因数q a ：c o o l r ( 2 1 2 ) 当r 较大时，q 将较低( 特别是电感l 的值很小时) 。q 小将使电路的选 频特性变差，不能识别出长定子电机的齿与槽。 2 3 4 电路设计 谐振电路采用常用的l - c 并联回路，由于线圈的形状不规则，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 容c 。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 稳定性的高频电容。 2 3 4 1 励源信号的设计 激励信号源是用来提供幅度稳定的高频信号，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，其关系为： z = z o 1 + j q z a f f o ( 2 1 3 ) 式中，z 。为谐振阻抗，f 。为谐振频率，z 为当激励信号的频率偏离回路 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，激励信号源的频率及幅度稳定与否，直接关系到整 个传感器的稳定性n 弘2 。 传感器由激励信号源及功率驱动电路、探头线圈，检波放大电路组成， 如图2 4 所示。 f p g a功率探头检波 分频 一 驱动+线圈+放大冈 ii i 一 图2 4传感器系统框图 晶振提供高稳定度的频率信号源，由f p g a 分频后，再经功率放大，施加 于传感器的探头线圈上，传感器探头线圈感应间隙的大小，通过测量电 路产生反映间隙大小的电压信号，将此信号进行检波放大后输出。由于 电感式传感器是温度敏感系统，而且悬浮测量单元的工作环境温度范围 为- 4 0 至+ 1 2 5 0 c ，因此在探头线圈处放置p t l 0 0 0 的热敏电阻，测量探头 线圈的温度，输出温度信号供后面信号处理中温度补偿时用。 2 3 4 2 检波器的设计 运算放大器采用高频运放，其中运放u 。组成一个反相器，产生一个 反相的单端信号，目的是在后面的检波电路中用到的。正向输出端输出 的波形如图2 4 所示。图2 - 4 ( a ) 是传感器远离定子轨道里的输出波形图， 波形的峰峰值为5 7 6 v ，当传感器逐渐靠近定子轨道时谐振回路的输出 波形幅度变小，图( b ) 为当传感器探头线圈接近定子轨道时的输出波形 图，峰峰值为2 6 8 v 。后面的检波和调理电路就是把幅度变化的正弦波 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 变为要求的输出信号心2 。2 5 l 。 ，匿i 了_ “i 一 ”j | z f _ 夏、 。 聱帮 二 产 t， j 7 | ， ? ? j ； 。 j 4 。f 、 ； i _ 1 j 。?，一 ，” 荔? j 磁 7 7 ， ：7 。 。l、“ 。 ? ， j o j ； 。j 墨：蠢j 。， ， 誓羔兰二z 。 。，! ； ( a ) 远离检测面时( b ) 靠近检测面时 图2 4间隙变化时谐振回路的输出波形图 对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。图2 5 是检波器的输入输出特性 图。 jl 工 一、 卜i 。i 。 i 小j | | j y 检波 器 t 图2 - 5检波器输入输出特性 图2 6 为采用多路模拟开关实现检波的电路原理图。两个输入信号 是前面提取到的两路反相的信号，波形如图2 6 ( a ) 所示，图中方波为 控制信号波形，控制信号也是两路相差1 8 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。经过模拟开关后合成 的信号如图2 6 ( b ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 、，礓一 一、，吓”、 f ，f “孙，、，芦7 啊川卜， 【 _i_一 ： l 一： - ：。、 7 j ， r 、0 蔓，羔，- 。，一t 、蔓，i ，芦，弘、业 几几几几几nn 几几几n 几几厂 l i 一怖b 厂，棚一豫、卜，一， - ：i一 l t ，辽立，口，少_ v - 越之一蔓，多，。i 、 nn 几几几几n 几几n 几nn 厂 ( a ) 输入的两路反相信号 ( b ) 通过多路模拟开关后的信号 图2 - 6柃波原理图 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。当间隙由0 到2 0 m m 变化时，其检波输出的实际测量数据 如表2 1 所示。 表2 - 1 检波输出电压与间隙对应表 间检波间检波 隙( m m )输出电隙( m m )输出电 压( v )压( v ) o1 2 81 22 0 0 21 3 61 42 0 8 41 5 21 62 1 2 61 6 8182 18 81 8 42 02 2 2 1o1 9 22 22 2 4 2 3 4 3 线性校正 一般希望测量仪表的输出量和输入量之间具有线性关系，而电感式 和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心6 。2 9 1 ，常用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 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，由小到大顺 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。 测量单元的线性校正原理图如图2 - 7 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。 ( a )( b ) 图2 - 7 线性校正原理示意图 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 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 - 8 所示。 图2 - 8f p g a 信号处理部分硬件框图 信号处理系统以x ili n x 公司s p a r t a ni ie 系列的x c 2 s 5 0 e 芯片阳3 1 1 为核心，其主要功能是对从a d 输出的间隙数据进行数据线性