（电机与电器专业论文）载人磁悬浮展品车悬浮控制技术的研究.pdf

磁悬浮展品车控制技术研究 i k s e a r c h 蛐c o n t r o it e c h n i q u eo fe x h i b i t i o nm a g l e vt r a i n a b s l l c t 嘣sd i s 蚶雠i s 越h i c v 耐a f t e rm e i e n t i f i cr e a r c hp r o j e c ts u p 雌d b ys c i 咖i 丘c c o 姗i t t c eo fs h e n y 锄g d e v e l o p 删e n to f 圮s m a l lm a g l e vt r a i n ”1 1 地p 血c i p l ea n d c o m p o s i i l ga r ee x p o u n d e d ，t 1 1 em a t i 啪a t i c sm o d e lo ft l l es i n 百em a g n 鲥cs u s p e r 塔i o ns y s t 锄 i se s t a b l i s h e d ，a n dt h em a m 锄t i cm o d e li nm ee q u i l i b f i 岫p o i n ti sl i n e a r i z e 吐t l l u sm es t a _ t e e q 憾t i o na n dt r 锄：l s f b ff h n 滔o no fm e ，s t 锄a r eo 嘲i l e d b a s e do nt h i s m ec o m r o n a b i l j t y 锄do b s e r v a b i l i 锣o ft t l es y s t 鼬a r ea l l a l y z e d ，锄dt 1 1 el 妇盯s t a t ef e e 【r b a c kc o n 仃0 l l e r p i d c n d l l e r 锄d o na r cd e s i g n e df o rt b em a g n e t i cs u s p e l l s i o ns y s t e m t h eo p e r a t i n gr 鹤u h s h o w st 量i a tm e 仃a i nc a nm c a l m l y ，f o u r - p o i n ts u s p e n s i o ni ss t a b l e ，t h e 均n g eo ft h ee r r o ri s 士o 0 5 m m ，t h ep l o t so f d i s p l a m a l ta i l dc u n e n ta r e 锄o o t l l ，觚dt l l ea 眦l 臼le 行b c ti so b t a i r 川 t h ec o 砷r o lp u r p o ，t l l ec o n 臼lm e o f y ，t h e 鲫姗ls 仃a 蜘苫y 锄dt l 坞曲r o lc 硫试to f m e m g n e t i 锄l 喇t 砒i 蚰锄dt h ec 啪p o s i n go fm e 赫v h gc i r c u hh 孙，eb e e nd i s c u s s e d ，柚dt h e e x a m i n a t i 叽r e s l l l t st l a sb c c n 翘a l y z e d ，t 1 l ef i l z 巧c o n t r o l l e ro ft h em a 驴e t i s ml e v i t a t i 仃a i n h 勰b 嘲d e s i 驴e d ，a n de m l l l a t i o n 粥s i n t sh 孙，cb 黜p r e s e m e di i lt h ep a p c r t h e 锄u l a t i o n i m p r e s s i o ni n d i c a t c sm a tf u z z yc 伪m o l l l a sk 啦e r 由，i l 锄i cp c r f 0 加1 a i l c em 觚g e n 酬p i d c 仃o l ，a n di t 舔t l 圮c k 咙l c l 觚s t i co fq l l i c k e rm s p ( m s ，s 缸d n g e rf o b u s 协e s s ，e l i m i n a ：t e 咖p l e t e l yt l l es y s t e l nd i f r c r c n c ea i l dr r l a k et h es y s 胁b e c o m e e n 0 rf k e 血z 巧c t ls y s t e m ， a n s w e rf b r 也ec o m r o lr e q u e s t so fm em a g i l e t i s ml e v i 枷o n 廿响岱 t h ef o l l r p o i ma t t r a c t i o nm a g i l e t i cs l l s 脚i o ns y s t c l i lh 器t h ec o u p i i l l gp h 即o m e 枷 k 小嘲咖p o i n 协，s oi no r d e rt oa c q l l i r ct l l ee x 雕时t c df c a 士u 把s ，ac r o 鹳c 唧l i n ga 由u s 0 0 ri s d e s i 驴e d ，砌c he l i l n j l l ；眦st i l cc o u p l i i l gi n l 耐b r es i 鲫山s t h cs a t i 娟e d 雎m 忸姗c e so fm e n e wc 打o l l e ra a c q u i r c di i l 曲呛e x p c r i l n 肌t k 锣w o l d 3 ；m a g i 吖，s t 部i ef e e d b a c kc o n t l l ，p i dc o n t i 劬l n o n 施e a r u n p i i n g 一一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：2 杰丝兰日期：色鲤z ! 主：兰； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：逖导师签名： 姿杰丝整日期：鱼竺芦墨， 沈阳工业大学硕士学位论文 l 引言 1 1 磁悬浮技术的发展及现状 磁悬浮技术的研究源于德国，早在1 9 2 2 年德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁 悬浮原理，并于1 9 3 4 年申请了磁悬浮列车的专利【1 】。进入7 0 年代以后，随着世界工业 l 化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日 本、美国、英国等发达国家相继开始进行磁悬浮运输系统的开发与研究工 l l 。近年来， 磁悬浮技术得到了迅速发展，应用领域不断扩大。磁力轴承，磁悬浮天平，磁悬浮高速 电机及相关的技术应用也都得到了发展，国外己经开发出这类高技术产品并进入市场。 磁悬浮技术不仅在机械、电气等工业领域得到了广泛的应用，在生命科学领域也开始应 用，充分显示了磁悬浮技术在国民经济发展和人们生活质量提高方面具有广阔豹发展前 景。由于现代科学技术的发展，如传感技术、控制技术( 尤其是数字控制技术) t 低温和 高温超导技术，使得磁悬浮技术日益受到人们的重视。德国和日本的磁悬浮控制系统研 究，己取得了令世人瞩目的进展和成就【2 】。 1 2 磁悬浮技术研究的意义 由于磁悬浮技术能够使被控设备脱离相互接触，避免物体之间的摩擦和磨擐，延长 设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而该技术在交通、冶金、机械、电器、材料 等各个领域得到广泛的应用。其中高速磁悬浮列车以其在技术、经济和环保方面的独特 优势，被认为是2 1 世纪交通工具的发展方向f 3 1 。德国和日本在这方面己经取得了重要进 展，磁悬浮列车技术开始走向实用阶段。在我国从八十年代初开始对低速常导型磁悬浮 列车进行研究。西南交通大学于1 9 9 4 年l o 月建成了首条磁悬浮铁路试验线，并同时开 展了磁悬浮列车的载人试验，成功地进行了时速为3 0 虹l ，l l 的磁悬浮列车试验，1 9 9 6 年 1 月通过铁道部组织的专家鉴定。随后，在铁科院环形试验线上，对设计时速为1 0 0 虹l l l 的室内磁悬浮列车程功地进行了试验，该车长为6 5 m ，宽为3 m ，自重4 t 内设1 5 个 座位，设计时速为1 0 0 l 【l i 沛，并于1 9 9 8 年1 1 月通过了铁道部科技成果鉴定，填补了中 国在磁悬浮列车技术领域的空白，从而使我国对磁悬浮列车的研究跨入了先进国家的行 列1 4 ，5 1 。 磁悬浮展品车控制技术研究 目前国内在常导低速磁悬浮列车方面已取得了许多重要成果，其关键技术已基本解 决，形成了具有相当水平的研究队伍，己经具备建设应用型低速常导磁悬浮列车试验示 范的能力。国防科技大学和铁道部科学研究所合作，于1 9 9 5 年5 月成功研制出第一台 吸力型单转向磁悬浮列车y d c 一1 l l 。上海龙阳路车站至浦东机场磁悬浮列车线路已进 入运行阶段，2 0 0 1 年3 月1 日，上海浦东磁悬浮列车商运线开工。2 0 0 1 年8 月1 4 日，我 国首辆磁悬浮客车在长春客车厂竣工下线。2 0 0 2 年1 2 月3 1 日，上海磁悬浮示范运营线 举行通车典礼，行车3 0 k i n ，最高运行速度4 3 0 k m m 。一种新兴的高速地面运载工具磁悬 浮列车离人们越来越近了。同时，磁悬浮相关应用技术的研究，实现了各学科间的交叉、 渗透，推动了磁悬浮高技术产品的开发与应用，因此具有十分重要的理论意义和现实意 义。 磁悬浮列车运行时，由于车身与轨道脱离了接触，因而具有一系列优点删： ( 1 ) 速度快：普通列车的速度主要受限于轮轨间粘性力，磁浮列车仅受限于空气阻力。 因此磁悬浮列车的速度更快，是陆上最快的交通工具，其速度仅次于飞机。 ( 2 ) 乘坐平稳舒适、噪声低、启动快、制动快等。在时速1 公里时，其噪声为6 7 分贝，当时速达到2 5 0 公里时，噪声也只有8 2 分贝，属于低水平噪声，是地上交通工 具中噪声最小的。 ( 3 ) 占地面积小：磁悬浮列车路轨占地面积与普通列车相近，比高速公路占地面积小 的多。此外，磁悬浮列车爬坡能力强，转弯半径小，可适应修建磁悬浮路轨的地段多， 因而可减少隧道和山谷桥架等的建筑费用。 ( 4 ) 能耗较低，维修少。磁悬浮列车属于无磨损运行，需要维修的主要是电气设备。 随着电子工业的发展，电子元件的可靠性将不断提高，因此。磁悬浮列车的维修工作量相 对较少。 ( 5 ) 安全可靠，磁悬浮列车( e m s 型) 悬浮高度大约l c m 左右，即使悬浮系统失效，应 急车轮也能支撑列车继续行进。另外，磁悬浮列车车体两侧像钳子一样卡住路轨，不易 出轨，比普通列车安全。 磁悬浮列车按其实现悬浮的原理可分为四种：电磁型( e m se l 舡om 删c s y s 咖) ，也称吸力型、常导型；电动型( e d s ，e l e 咖蛳i cs y s t 啪) ，也称斥力型、 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 超导型；永磁式半悬浮型；推力与悬浮结合型。 电磁型( e m s ) 列车利用受控直流电磁铁进行悬浮，此项控制技术是目前世界上最先 进的。电磁型列车在车体上装有电磁铁，路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大小可 根据气隙传感器的信号进行调节，使车体与路轨间保持设定的距离。悬浮力的大小与车 速无关，任何车速时均能保持稳定的悬浮力。悬浮气隙较小，约1 0 m m 。车身前进的动 力由直线感应电机或直线同步电机提供。它的悬浮和推进系统消耗的功率很小，一般为 1w l 喀。悬浮结构简单，但车体较重f 9 】。 电动型( e d s ) 列车在车体内安装有超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的短路 铝环。当超导线圈内通电时就产生强磁场，在列车以一定速度前进时，该强磁场就在路 轨的铝环内产生感应电流，两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大这个排斥力就愈大， 当速度超过一定值( 时速8 0k m 以上) 时，列车就可脱离路轨表面，最大距离可达数十厘 米。其悬浮是自稳定的，无须加任何主动控制；由于采用大气隙悬浮，既使车体有稍许 不平衡，或车体与轨道对不准，或轨道上有些许杂物，均不会影响列车的安全性。采用 超导线圈虽可减轻线圈的重量，但却要增设超导所需的制冷系统，制冷电源也增加了功 耗。这种结构的磁场若不加屏蔽，会增加环境的电磁污染。在低速行驶时，列车还需轮 轨系统支持。 常导型是以德国的高速磁悬浮列车为代表，利用直流电磁铁电磁吸力的原理，在列车 车体两侧倒转向上的底部安装受控电磁铁。电磁铁通电后，与位于其上方的导轨之间产生 电磁吸力。用传感器检测导轨与列车之间的间隙，使其保持在1 0 m m 左右用直线电动机 驱动列车前进。超导型的速度可达5 0 0 k m m 以上。 1 3 磁悬浮列车的控制目的 1 3 1 控制部分的组成 磁悬浮列车的主要控制部分为悬浮控制单元。对于电磁吸引式悬浮列车，由于电磁 吸力和悬浮气隙之间呈非线性反比关系，使得电磁悬浮系统本身存在不稳定性，即使平 衡也只是动态的。为了达到悬浮的稳定性，必须对控制装置进行调节，主要通过悬浮气 隙的反馈对电流进行控制，从而通过改变电流来调节悬浮车体与导轨距离( 气隙) 的关系， 因而悬浮控制是常导型磁悬浮列车的关键技术。 3 磁悬浮展品车控制技术研究 1 3 2 控制目的 磁悬浮列车控制的根本目的就是要保证磁悬浮列车能够在受到各种干扰作用时仍 能保持稳定的动态悬浮，且调节响应速度要快。内部扰动力主要是控制系统本身的非线 性及传感器测量误差产生的：外部扰动主要包括负载变化、驱动加速力和减速力、空气 动力及轨道的弯度、坡道和不平整带来的扰动力等。 1 3 3 控制品质的要求 磁悬浮列车控制的一个最基本要求是要保证磁悬浮列车能够在一定程度的各种扰 动作用下具有平衡稳定的悬浮【1 0 1 。作用在磁悬浮系统的外部扰动主要包括负载变化、驱 动加速力和减速力、空气动力及轨道的弯度、坡道和不平整带来的扰动力，内部扰动力 则主要起因于控制系统本身的非线性及传感器的测量误差等因素。 对磁悬浮系统的具体控制要求 ( 1 ) 对固有不稳定的电磁悬浮系统提供一个平衡稳定控制： ( 2 ) 对轨道结构的高频不平整引起的振动能够实现解耦，减少能量损耗，同时增加乘 坐舒适度： ( 3 ) 能够在容许的间隙变化范围内跟踪轨道的低频变化，如弯道和坡度； ( 4 ) 电磁铁悬浮力的不均匀分布不会带来机车构架的弹性形变； ( 5 ) 能在较大范围内承受机车载荷的变化以及载荷的不均匀分布； ( 6 ) 能够承受外部扰动力的影响。 1 3 4 控制特点 磁悬浮列车的控制可以分为悬浮控制、导向控制和驱动控制三个方面。对于电磁悬 浮方式的列车，由于电磁吸力和悬浮间隙之间的非线性反比关系，使得该电磁悬浮系统 本身存在固有的不稳定性。为达到悬浮的稳定性，必须采用控制装置，通常利用悬浮气 隙的反馈对电流进行控制。其目的是通过改变电流来改善悬浮物体的力气隙特性，因 而悬浮控制成为e m s 型磁悬浮列车的关键技术。磁悬浮列车系统本身是一个多磁系统， 与单磁系统差异较大l l l 1 2 1 。当电磁铁提供最大升起力时，磁铁处在力距离特性曲线的高 度非线性部分。控制系统的增益与特性曲线上工作点的斜率成正比。因此，工作条件的 变化，如载荷的变化、轨道的振颤、轨道的不平整等，将大大降低系统的瞬时特性，甚 一五- 沈阳工业大学硕士学位论文 至会破坏稳定性。多磁系统中，存在着刚性机车底盘上的磁铁的机械耦合和各磁铁控制 系统的机械耦合。因此，e m s 磁悬浮列车控制是困难的。通过状态反馈法来代替动力 学去耦法是现在常用的一种有效方法，主要是利用弹性机车底盘或磁性底座来实现解 耦。这种磁铁和弹性底盘独立控制的概念己被广泛应用，使得系统总体的性能和稳定性 得到改善。 1 4 课题设计任务 随着我国国民经济的快速发展，生活水平的日益提高，人们对快捷方便的交通工具 的渴望也越来越大，磁悬浮列车正是在此情况下应运而生。论文的主要工作，以沈阳科 学宫磁悬浮展品车为背景，讨论其悬浮控制问题。本文主要有以下工作： ( 1 ) 建立了多铁悬浮系统的力气隙模型，以单个电磁铁为主要研究对象，建立了单 个电磁铁的数学模型，并对其进行局部线性化。得到状态方程，以此作为控制器设计的 基础。 ( 2 ) 讨论线性控制系统的设计方法，包括线性状态反馈控制、p i 状态反馈控制和双 闭环控制。线性状态反馈控制可以通过闭环极点的配置来调节系统的暂态过程，对于准 确模型系统，该方法能够很好地按照期望性能来确定控制器参数：p i 状态反馈控制具有 良好的暂态性能，由于在系统中加入了一个偏差积分环节，消除了稳态误差：双闭环控 制对系统有较强的适应能力。 ( 3 ) 设计了p i d 控制器，并完成了硬件的调试，分析了各悬浮点之间的耦合问题，完 成了带含交错耦合调节器的p 悬浮系统控制器，并用于沈阳科学宫磁悬浮展品车的悬 浮控制中，现场的调试结果表明其控制效果是比较理想的，当其和机械解耦协调配合后， 控制器能达到磁悬浮展品车的悬浮控制要求，能够实现四点悬浮控制，且悬浮稳定。 ( 4 ) 讨论模糊控制方法，通过仿真比较了常规模糊控制与p d 控制、常规模糊控制和 模糊p d 控制的控制性能，阐述了各种控制的优缺点，设计了混合控制器，仿真结果显 示其能够满足磁悬浮列车悬浮系统的控制要求。 一5 一 磁悬浮展品车控制技术研究 2 磁悬浮系统的原理和组成 2 1 磁悬浮系统的工作原理 磁悬浮列车是依靠电磁吸力与斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面 轨道间的无机械接触，并利用直线电机驱动使得列车向前运行。本系统由电磁铁、位移 传感器、p m 调节电路、p w m 脉宽调节器、直线电机等部件组成【”l 。磁悬浮列车的闭 环控制系统结构图如图2 1 所示。 感器 图2 1 悬浮控制系统示意图 f i 晷2 1s m p e 雌i o nc 咖l 研s 咖 在悬浮列车的底盘上上对称地安装着四组参数相同的电磁铁。悬浮列车下面和侧面 安装着可以滑动的橡胶滚轮，车在非悬浮状态时使用车下面的滚轮来运动。车在运动时， 其侧面的滚轮与导轨脱离接触，并可以使其避免与导轨发生碰撞，减少列车和导轨之间 的摩擦，对列车和导轨有防护的作用。列车底盘的中部悬挂着直线电机，为列车前进提 供动力。电涡流位置传感器固定在电磁铁前后两侧上，其与导轨的横平面垂直，用来检 测涡流传感器探头与导轨平面之间的距离。导轨用2 皑钢做成，既要导磁又要有一定的 刚度。同时两导轨的中间安装着铝导体，作为直线电机的次极。当电磁铁绕组中通过电 流时，会对金属导轨产生电磁吸力，磁铁对导轨施加向下的力，由力的相互作用原理， 导轨对磁铁也有向上的力，由于四个电磁铁都是固定在悬浮列车上的，所以列车在四个 点受到电磁铁向上的拉力，当四个电磁铁拉力之和大于列车上所有部件的重力时，列车 向上运动，悬浮起来。只要控制电磁铁绕组中的电流大小，使其产生的电磁力和列车上 所有部件的重力相等，列车就可以悬浮在空中，处于悬浮状态，此时如果给直线电机供 一6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 电，直线电机就可以产生使列车水平方向运动的拉力，使列车在水平面内，沿着导轨的 方向运动起来。这种电磁力和重力的平衡是一种不稳定平衡，这是由于电磁铁和导轨之 间的电磁力大小与它们距离的平方成反比，即距离越小作用力越大，距离越大作用力越 小，所以只要这种平衡受到极微小的一个扰动，就会破坏这种平衡，导致列车振动或者 掉下来，也可能和导轨吸附在一起1 4 1 。磁悬浮车的气隙信号经过位移传感器检测后，经 p i d 调节器调节后，由控制器输出给电磁铁的电流驱动单元，电流驱动单元控制电磁铁 内部的电流大小，调节电磁铁的电磁吸力，使电磁吸力和磁悬浮车的重力平衡，保持车 体始终处于悬浮状态。这种悬浮方式实际是一种动态悬浮方式，也称作常导电磁吸引式 悬浮工作原理。 2 2 悬浮控制系统的组成 根据科学宫设计要求，悬浮方式采用常导电磁吸引式悬浮。该控制系统由电磁铁线 圈、加速度传感器、p w m 脉宽调制恒流驱动器、涡流传感器、电磁铁电流驱动单元、 p m 控制器、悬浮列车车体、导轨、直线电机等部件组成。其工作原理如下： 悬浮控制原理框图如下： 位置 图2 2 悬浮控制系统原理框图 f 唔2 2t h c 呻c i p l eo f s 娜i o nc o “咖ls y s t e i i i 车体由于悬浮于轨道之上，没有机械接触，所以传统的靠铁轨摩擦所产生的驱动方 式己无法使用，为此本方案采用了感应式直线电机的驱动方式。 直线电机的驱动采用变频驱动，通过改变变频器的电压与频率而改变直线电机的推 力。变频器输入电压为单相交流2 2 0 v ，输出为三相交流0 2 5 0 v ，0 2 0 0 h z 连续可调。 变频器的压频比曲线可任意设定，其设定方式如下图： 7 一 磁悬浮展品车控制技术研究 单项交流 2 2 0 输入b ( 接任意两端) c 方向m o 运行m i 控制电压 v 变频器 图2 j 变频驱动框圈 f i g 2 31 kd j a 鲫no f 舶q u e n c y n v e 幅i 蚰锄dd m 日 速度控制系统由测速传感器、速度运算器、速度控制器来完成。 圈2 4 位移测试原理图 f i 昏2 41 1 l ep 血c i p l eo f d i s p l a c 朗t 懈m h 堰 测速传感器实际是利用无触点开关的工作原理，利用其与轨道拱梁接通与非接通而 发出的“o ”、“1 ”信号实现对速度的控制。当列车在行进过程中，感应开关经过一个轨道 拱梁便发出一个叼”、“1 ，1 言号，该开关信号作为测速的依据输入测速器1 5 彻。测速器与 速度控制器均由5 l 单片机来实现。速度控制器的输出送给变频器，用以控制电机的速 度，采用这种无触点的数字测速方式实现了速度检测。根据科学宫要求速度控制在 2 0 3 0 n 妇i i i 。其控制方式采用手动自动控制两种方式，可以任意选择，在操作台上设 置了应急按钮和急停措施，并使用电磁抱闸作为停车定位，保证列车的安全运行。 2 2 1 电涡流传感器 当通过导体中的磁通发生变化时，就会在导体中感应电流，这种电流的流线在金属 - 8 沈阳工业大学硕士学位论文 导体中自行闭合，通常称之为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而 使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电祸流传感器就是基于这种电涡流效应【1 8 】。如图2 5 所示，当线圈中通过一个高频正弦交变磁场时，线圈周围的空间就产生交变磁场。而此 电涡流也产生交变磁场阻碍外磁场的变化，由于磁场的反作用，使线圈中的电流和相位 都产生变化，引起了线圈的等效阻抗也产生变化，线圈的电感量也产生变化，因此可用 线圈阻抗的变化反映金属导体的电涡流效应。这就是电涡流传感器的基本工作原理。 圈2 s 电涡流传感器原理图 f i 昏2 5p r i n c i p l ed i a g r 锄o f e d d y 一般来讲，线圈的有效阻抗变化与导体的电导率、几何形状、线圈的几何参数、激励 电源频率以及线圈到被测导体的距离有关。如果改变上述参数中的一个参数，而其余参数 恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。当只有距离变化时，阻抗的变化就可 蛾一幕曩 垒一导体 图2 6 电涡流等效电路 f 晦2 6e q u i v a l 髓tc i r c u “d i a 伊a m 以反映激励线圈到被测金属导体间距离的大小变化。我们可以把被测导体上形成的电涡 9 一 磁悬浮展品车控制技术研究 流等效成一个短路环l 2 ，这样就可以得到如图2 6 所示的等效电路，其中r l 为l 1 的内 阻，r 2 为k 的内阻。 根据等效电路列出方程组求得传感器线圈三i 的复阻抗为： z 扣嵩卟仁。一嵩础2 亿， 线圈的等效电感为： 工= 厶一三：i ；号i 尚 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可以看出，激励线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感m 平方的函数。而m 随线圈与金属导体间距离x 的变化而改变的。 2 2 2 使用传感器应注意的问题 ( 1 ) 组成传感器系统的各部分之间必须互相匹配。 ( 2 ) 注意探头的安装。 ( 3 ) 机械转子材料的选择。 ( 4 ) 电缆的屏蔽与接地。 2 2 3 传感器的主要特点 ( 1 ) 非接触式测量位移、振动、转速、尺寸等参数。 ( 2 ) 线性范围宽，可测量眦0 n 埘。 ( 3 ) 动态性能好，p l o 妞z 。 ( 4 ) 可长线传输，并长期可靠的工作。 ( 5 ) 抗干扰能力强，能在油、水、等恶劣环境中长期连续的工作：传感器的安装要求： 1 ) 探头与被测体表面不垂直度小于5o 。 2 ) 探头支架刚性要好，其固定频率应远离工作频率，以免因支架振动造成附加误差。 3 ) 探头高频电缆若有转接插头座时( 带延伸电缆时) ，插头座外壳务必与现场设备地 绝缘，否则会引起传感器电气损坏或引起电干扰。 4 ) 为避免支架的轴向屏蔽影响，要求支架端面离开探头感应面，其距离仑d 。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 5 ) 探头感应面径向应遥免非测量体的金属体屏蔽。 6 ) 安装2 个以上探头时，为避免相互耦合，应使两探头的距离眨d 。 2 2 4 电磁铁电流驱动单元 ( 1 ) 性能指标 输出电压：直流0 2 0 v 。 输出屯流：直流o 5 a 。 占空比；o 1 0 0 。 开关频率：2 5 k 毗。 ( 2 ) i g b t 主电路 主电路如图2 7 所示，开关器件采用绝缘栅双极晶体管i g b t ，其特点是能集v m o s 功率管电压激励和达林顿功率管g 1 r 大电流低导通电阻特性于一体。卿】。i g b t 开关频 率商，驱动功率小，与g t r 相比，其承受浪涌电流、醐m 、d p 他的能力都较强。 ( 3 ) 电路说明： 该电路是用来给电磁铁供电的逆变电路如图2 7 所示，该电路采用了两只 m g 7 5 j 2 y o s 5 0 ( 6 0 0 v 7 5 a ) 组成逆变电路，其中的电磁铁用电感l 等效。由于电磁铁工 作时需要直流电，所以v 2 和v 3 始终处于不导通状态，因此没有加驱动电路。 图2 7 i g b t 桥式电路 f i g 2 7i g b t 晰d g cc i 砌血 主电路的工作原理是由控制回路控制i g b t 的导通时间即占空比来调节电磁铁两端 的电压，从而得到所需的电磁吸力。当驱动电路发出导通信号后，v ，和v 4 导通电磁铁 通电，由于电磁铁的滞后时间常数大，所以电流逐渐上升不能突变口1 】，如图。当达到 一定的电流后产生足够的吸力使电磁铁与路轨之间的气隙变为4 m m ，当电流继续增加 磁悬浮展品车控制技术研究 时吸力也随之增加，使得气隙小于4 蛐，这是驱动电路动作，关断v 1 ，v 4 ，电磁铁中的 电流不能突变，电流将通过二极管v d 2 ，v d 3 续流，电磁铁上所加的电压为零，这是电 磁铁中的电流逐渐下降，如图2 8 ，其吸力也随之下降，电磁铁与路轨之间的气隙变小， 当小于4 m m 时驱动电路再次动作，重复上述工作过程。 图2 8 主电路工作原理图 f i g 2 8o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f 删i i i lc i r c l i i t 2 3 驱动电路的设计 2 3 1 i g b t 驱动电路 经过2 0 多年的发展，i g b t 表现出了很强的生命力，其开关性能经历五代改进也日臻 完善，同时，i g b t 的容量等级也在快速提升，单管电压已达6 5 0 0 v ：无均流并联电流已达 3 3 0 0 i a ，已成为基本上取代了g 风并在很多应用领域挑战g 1 d 的电力半导体开关器件。 驱动电路的结构和参数会对i g b t 的运行性能产生显著影响。如开关时间、开关损耗、短 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 路电流保护能力和抗d v d r 的能力等。因此，根据i g b t 的型号类型和参数指标合理设计 驱动电路对于充分发挥i g b t 的性能是十分重要的。 卜【 卜(lk u 【卜” 【1 南 【 a ，a 鲰“v i kv ， i 旦v 矗 蓝- - _槲1 一 v i ii j i 僻 也 n 、k c l - j t - ij i i 图2 9 e x 瑚4 0 原理图 f i 晷2 9p n c i p l ed i a 岬mo f e x b 8 4 0 放大部分由光耦合器i s 0 1 、v 2 、v 4 、v 5 和r l 、c l 、r 2 、r 3 组成，其中i s o l 起隔离 作用，v 2 是中间级，v 4 和u 组成推挽输出。过流保护部分由v l 、v 3 、v d 6 、v z l 和 c 2 、r 3 、风、c 3 、r 7 、r 毒、c 4 等组成即6 】。它们实现过流检测功能。驱动模块 的脚6 通过快速二极管v d 7 接至i g b t 的集电极，显然它是通过检测电压u 。的商低来 判断断是否发生短路。5 v 电压基准部分由r l o 、v 乙、和c 5 组成，既为驱动i g b t 提供 5 v 反偏压，同时也为光耦合器i s o l 副边提供电源。 正常开通过程：当控制电路使驱动模块输入端脚1 4 和脚1 5 有1 0 0 n 认的电流流过 时，光耦合器i s 0 1 就会导通，a 点电位迅速下降至o v 。使v l 和v 2 截止，v 2 截止使d 点电位上升至2 0 v ，v 4 导通，v 5 截止，驱动模块通过v 4 及栅极电阻r o 向i g b t 提供电 流使之迅速导通，u c e 下降至3 v 。与此同时，v l 截止使+ 2 0 v 电源通过r 3 向电容c 2 充电，时间常数q 为 q = 岛c 2 = 2 。4 2 声 又使b 点电位上升，它由零升到1 3 v 的时间可用下式求得 一1 3 磁悬浮展品车控制技术研究 1 3 宅o ( 1 e 肌1 ) 式中嘲5 4 呻。 然而由于i g b t 约1 邺后己导通，【b 下降至3 v ，从而将驱动模块脚6 电位嵌制 在8 v 左右，因此b 点和c 点电位不会充到1 3 v ，而是充到8 v 左右。这个过程时间为 1 2 4 “s ；又稳压管v z i 的稳压值为1 3 v ，i g b t 正常开通时不会被击穿，v 3 不通，e 点 电位仍为2 0 v 左右，二极管v d 6 截止，不影响v 4 和v 5 的正常工作。 b 正常关断过程控制电路使输入端脚1 4 和脚1 5 无电流流过时，光耦合器i s 0 1 不导通，a 点电位上升使v l 和v 2 导通：v 2 导通使v 4 截止，v 5 导通，l g b t 栅极电荷 通过v 5 迅速放电，使驱动模块脚3 电位迅速下降至o v ( 相对于驱动模块的脚1 低5 v ) ， 使i g b t 可靠关断，u c e 迅速上升，使驱动模块脚6 悬空，与此同时，v l 导通，c 2 通过 v l 更快放电，将b 点和c 点电位嵌制在o v ，使v z l 仍不遥，后继电路不会动作，i g b t 正常关断。 c 保护动作设i 衄t 己正常导通，则v l 和v 2 截止，v 4 导通，v 5 截止，b 点和c 点电位稳定在g v 左右。v z l 不被击穿，v 3 不导通，e 点电位保持为2 0 v ，二极管饿 截止。若此时发生短路，i g b t 承受大电流而饱和，u 江上升很多，二极管v d 7 截止【2 7 侧， 则驱动模块脚6 悬空，b 点和c 点电仿开始由8 v 上升：当上升至1 3 v 时，v z l 被击穿， v 3 导通，c 4 通过r 7 和v 3 放电，e 点电位逐步下降，二极管v d 6 导通时d 点电位也逐 步下降，从而位驱动模块的脚3 电位也逐步下降，缓慢关断i g b t 。 b 点和c 点电位开始由8 v 上升至1 3 v 的时间可用下式求得 1 3 = 2 0 ( 1 - e 斩1 _ 卜8e 哦2 c 3 和r 7 组成的放电时间常数为 t l = r 7 c 3 = 4 8 4 岬 t = 8 3 u s 此时慢关断过程结束，i g b t 栅极上所受偏压为o v ( 设v 3 管压降为0 3 ，v 6 和v 5 的 压降为o 7 、n 。 这种状态一直持续到控制信号使光耦合器i s o l 截止，此时v l 和v 2 导通，v 2 导通使 1 4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 d 点电位下降到o v ，从而v 4 完全截止，v 5 完全导通，i g b t 栅极所受偏压由慢关断时的 o v 迅速下降到- 5 v ，i g b t 完全关断。v l 导通使c 2 迅速放电，v 3 截止，2 0 v 电源通过 r 甚对c 4 充电，i 屺充电时间常数为 向= 凰c 4 = 4 8 4 螂 则e 点由3 6 v 充至1 9 v 的时间可用下式求得 1 9 - 2 0 ( 1 - c 机1 ) - 3 6e 枷 仁1 3 5 雌 则e 点恢复到正常状态需1 3 5 蜩，至此驱动模块完全恢复到正常状态，可以进行正常的 驱动。 2 3 21 0 b t 驱动电路的基本要求 l g b t 栅极驱动电路应具备如下基本功能： ( 1 ) 提供足够的栅极电压来开通i g b t 并在开通期间保持这个电压。 ( 2 ) 在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证i g b t 的开通 速度。 ( 3 ) 在关断期阃，提供一个反向偏置电压来提高l g b t 抗暂态“，d t 的能力和抗e m i 噪声的能力并减少关断损耗。 ( 4 ) 在i g b t 功率电路和控制电路之间提供电气隔离。对1 0 b t 逆变器，一般要求的 电气隔离为2 5 0 0 v 以上。 ( 5 ) 在短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行i g b t 保护，并发出 故障信号到控制系统。 为了提高开关器件i g b t 工作的可靠性，我们采用了集驱动与保护功能于一体的集 成驱动模块e x b 8 4 0 ，其原理框图如图2 9 所示。放大部分由光耦合器i s 0 卜v 2 、v 4 、 v 5 和r l 、c l 、r 2 、r 3 组成，其中i s 0 1 起隔离作用，v 2 是中间级，v 4 和v 5 组成推挽输 出。 过流保护部分由v l 、v 3 、v d 6 、v z l 和c 2 、r 3 、r 5 、r 6 、c 3 、r 7 、r 8 、c 4 等 组成。它们实现过流检测功能。驱动模块的脚6 通过快速二极管v d 7 接至i g b t 的集电 1 5 磁悬浮展品车控制技术研究 极，显然它是通过检测电压u 。的高低来判断断是否发生短路。5 v 电压基准部分由r l o 、 v z 2 、和c 5 组成，既为驱动i g b t 提供5 v 反偏压，同时也为光耦合器i s 0 1 副边提供 电源。正常开通过程：当控制电路使驱动模块输入端脚1 4 和脚1 5 有1 0 0 l a 的电流 流过时，光耦合器i s 0 l 就会导通，a 点电位迅速下降至o v ，使v l 和v 2 截止，v 2 截 止使d 点电位上升至2 0 v ，v 4 导通，v 5 截止，驱动模块通过v 4 及栅极电阻r g 向i g b t 提供电流使之迅速导通，u c e 下降至3 v 。与此同时，v 1 截止使+ 2 0 v 电源通过r 3 向电 容c 2 充电，时间常数q 为 f 1 = r s c 2 = 2 4 2 声 又使b 点电位上升，它由零升到1 3 v 的时间可用下式求得 1 3 _ 2 0 ( 1 - e 曲1 ) 式中眈5 4 峭。 然而由于i g b t 约l p s 后己导通，岵下降至3 v ，从而将驱动模块脚6 电位嵌制 在8 v 左右，因此b 点和c 点电位不会充到1 3 v ，而是充到8 v 左右。这个过程时间为 1 2 4 泌：又稳压管v z l 的稳压值为1 3 v ，i g b t 正常开通时不会被击穿，v 3 不通，e 点 电位仍为2 0 v 左右，二极管v d 6 截止，不影响v 4 和v 5 的正常工作。 正常关断过程控制电路使输入端脚1 4 和脚1 5 无电流流过时，光耦合器i s 0 l 不导 通，a 点电位上升使v i 和v 2 导通；v 2 导通使v 4 截止，v 5 导通，i g b t 栅极电荷通过 v 5 迅速放电，使驱动模块脚3 电位迅速下降至o v ( 相对于驱动模块的脚1 低5 、，) ，使i g b t 可靠关断，u c e 迅速上升，使驱动模块脚6 悬空，与此同时，v 1 导通，c 2 通过v l 更快 放电，将b 点和c 点电位嵌制在o v ，使v z l 仍不通，后继电路不会动作，i g b t 正常 关断。 保护动作设i g b t 己正常导通，则v l 和v 2 截止，v 4 导通，v 5 截止，b 点和c 点电位稳定在s v 左右，v z l 不被击穿，v 3 不导通，e 点电位保持为2 0 v ，二极管v d 6 截止。若此时发生短路，i g b t 承受大电流而饱和，如上升很多，二极管v d 7 截止， 则驱动模块脚6 悬空，b 点和c 点电仿开始由8 v 上升；当上升至1 3 v 时，v z l 被击穿， v 3 导通，c 4 通过r 7 和v 3 放电，e 点电位逐步下降，二极管v d 6 导通时d 点电位也逐 步下降，从而位驱动模块的脚3 电位也逐步下降，缓慢关断i g b t 。 一1 6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 b 点和c 点电位开始由s v 上升至1 3 v 的时间可用下式求得 1 3 2 0 ( 1 _ e 廿1 ) 8e 抛 c 3 和r 7 组成的放电时间常数为 t l = r 7 c 3 = 4 8 4 鹏 仁8 3 肺 此时慢关断过程结束，i g b t 栅极上所受偏压为o v ( 设v 3 管压降为o 3 v ，v 6 和v 5 的压降 为o 7 v 1 。 这种状态一直持续到控制信号使光耦合器i s o l 截止，此时v l 和v 2 导通，v 2 导通 使d 点电位下降到o v ，从而v 4 完全截止，v 5 完全导通，i g b t 栅极所受偏压由慢关断 时的o v 迅速下降到5 v ，i g b t 完全关断。v l 导通使c 2 迅速放电，v 3 截止，2 0 v 电源 通过飓对c 4 充电，r c 充电时间常数为 q = c 4 = 4 8 4 岬 则e 点由3 6 v 充电至1 9 v 的时间可用下式求得 1 9 - 2 0 ( 1 - c 晰1 ) 3 6e 枷 卢1 3 5 雌 则e 点恢复到正常状态需1 3 5 雌，至此驱动模块完全恢复到正常状态，可以进行正常的 驱动。 驱动i g b t 的应用电路如图2 1 0 所示，e ) 园8 4 0 输出i g b t 门极脉冲的同时，通过快 速三极管d l ，检测i g b t 的c e 间电压，当i c 过大时，v c e 超过门槛电压v c e t h = 7 v ， e x b 8 4 0 内部的过流保护电路控制运放，使其输出软关断信号，在1 0 璐内将i g b t 的驱动 电平降到零。软关断可以防止大电流下i g b t 关断应力过大，烧毁器件【3 1 4 孤。如图2 1 0 中，采用高频电容c 卜c 2 用于吸收高频噪声，i 为门极电阻，当v c e 兰7 v 时，表明 i g b t 过流，e x b 8 4 0 脚由“高”变成“低”，光耦o p 导通，r s 触发器输出高电平，脉冲 信号被封锁。s i 用于手工复位。 磁悬浮控制电路中e 8 4 0 的驱动电路如图2 1 0 。 1 7 - 磁悬浮展品车控制技术研究 豳2 1 0e x 磷i 钟构成的i g b t 驱动电路 f i g 2 1 0i g b td r i v 盯c i r c u i to f e x b 8 4 0 2 3 4 直线电机 直线电机为感应式电机，其作用是为列车提供前进的牵引力装置。电机的动子安装 在列车底盘上，并由三相变频电源供电，定子是由导磁的铁板与导电的铝板复合而成， 安装在轨道的中间。当列车悬浮时，定子与动子间的气隙应在4 5 m m 之间。 直线电机可以使受控设备产生直线运动。它可以看成是由旋转电动机演化而来的。 设想把旋转电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电动机。与旋转电 动机对应，直线电动机按机种分类可分为直线感应电动机、直线同步电动机、直线直流 电动机和其他直线电动机( 如直线步进电动机) 等。直线电动机按结构分类可以分为平板 形、管型、弧形和盘形p 4 1 。旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中称为初级和次 级。为了在运动过程中始终保持初级和次级耦合，初级侧或次级侧中的一侧必须做得很 长。在直线电动机中，直线感应电动机应用最广泛，因为它的次级可以是整块均匀的金 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 属材料，即采用实心结构，成本较低，适宜于做得很长。本系统当中采用直线感应电动 机作为悬浮装置水平运动的动力源，并由三相变频