（电力电子与电力传动专业论文）磁浮列车绝对定位系统的设计.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 o t m a g l e v , r e g a r d e d 船a “g r e e n m e a n so ft r a n s p o r t a t i o no f 2 1 s t c e n t u r y , h a sm a n yr e m a r k a b l ea d v a n t a g e ss u c h 髂c o m f o r t a b l er i d i n g ，h i g hs p e e d ，g o o d e n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n dn o n p o l l u t i n g ，e t c c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lr a i l w a yt r a i n ，m a g l e vi sr u n n i n ga b o v et h et r a c k t h e r e f o r e ，v e l o c i t y m e a s u r e m e n ta n do r i e n t a t i o n t e c h n o l o g y i s u n d o u b t e d l y c r i t i c a l p r e s e n tr e s e a r c hw o r ki nv e l o c i t ym e a s u r e m e n ta n do r i e n t a t i o na th o m e a n da b r o a di sl a r g e l yi d e n t i c a lb u tw i t l lm i n o r d i f f e r e n c e a l t h o u g hg r e a te f f o r t si n r e s e a r c hi n c l u d i n gd i f f e r e n tp r o j e c ta n da c t u a l i z a t i o nh a v eb e e nd e v o t e dt ot h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n ta n do r i e n t a t i o n t e c h n o l o g y s i n c et h e s t a r t ，n o w t h e t e c h n o l o g yi no u rc o u n t r yh a sn o ta c h i e v e dt h ed e g r e et h r o 、i n gi ti n t ob u s i n e s s u s i n g t h ed e t e r m i n i n ga b s o l u t ep o s i t i o ns y s t e mo fm a g l e vt r a i ni so n eo ft h e m o s t i m p o r t a n tp a r t st or e a l i z et h r o w i n gm a g l e vt r a i ni n t ob u s i n e s su s i n g ，i ti st h e t e c h n o l o g yt h a tm u s tb em a s t e r e d t h et h e s i sa l m st od os o m ef u n d a m e n t a lw o r k i nt h i sd o m a i n t h i st h e s i su s e st h em e t h o do fp u l s e c o d i n gt od e s i g nt h ed e t e r m i n i n g a b s o l u t ep o s i t i o ns y s t e mo fm a g l e vt r a i na n dm a i n l yi n c l u d e s f o t l l a s p e c t s a s f o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h ep u r p o s e o f u s i n g t h el o c a t i n gs y s t e mo f m a g l e v t r a i ni sd i s c u s s e d t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e l o c a t i n gs y s t e m o fm a g l e vt r a i ni s d e t a i l e d l yi n t r o d u c e da n da n a l y z e d a l lk i n d so fm e t h o d sf o r m a g l e vl o c a t i n ga n d s p e e dm e a s u r i n g a r ec l a s s i f i e d ，c o m p a r e dw i t he a c h o t h e r s e c o n d l y ，o nt h eb a s eo ft h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，s t u d y i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h es e n s o rd e t a i l e d l ya n dt h e no f f e r i n gt h et h e o r e t i c a l w a r r a n t yt oc o n f i r mt h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e r so f t h es e n s o r t h i r d l y , d e s i g n i n gt h es p e c i f i cc i r c u i t so f t h e s y s t e m ss i g n a ls e n d i n gu n i t a n ds i g n a lr e c e i v i n g ，p r o c e s s i n gu n i t a tl a s t ，e x p l i c a t i n gh o w u s et h ee m p 7 1 2 8c p l d a n d p s d 3 2 3 4s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t oc o l l e c t ，p r o c e s sd a t aa n dc o m m u n i c a t e k e y w o r d s ：m a g l e vd e t e r m i n gt h ea b s o l u t ep o s i t i o nc p l di n d u c t i o nc o i l s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 磁浮铁路运输 第1 章绪论 随着科学技术日新月异的发展，时代随之不断进步，世界各地间的经济 交往和社会联系日趋频繁，从而，人们对交通机构的要求越来越高。一个国 。家的经济发展水平、富裕程度等等也与该国的交通工具和交通联系的工作效 率有着密切关系。 磁浮铁路运输系统作为一种高速、安全、舒适、低公害的新型运输系统， 已日益受到人们的关注和重视。 磁浮列车利用电磁吸力或电动斥力使列车悬浮于空中，实现与地面轨道 没有机械接触，并用线性电机驱动，因此克服了传统车辆必须通过轮轨机械 接触实现列车牵引的许多弊端，例如轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等，所 以它是人类梦寐以求的一种陆上交通运输工具。 磁浮列车运行平稳、功耗低、无轮轨间的磨损、具有很强的爬长大坡道 的能力。根据试验研究的结果和经济的综合分析，磁浮铁路运输系统有很好 的发展前景和明显的经济效益。 对于磁浮铁路运输系统的研究开发工作很早就已展开，德国人h e r m a n n k e m p e r 在1 9 2 2 年便提出了电磁悬浮理论，1 9 3 4 年公布了磁浮列车专利。在 此之后，法、德、英、日、韩等国纷纷展开研究，并多次进行试验。 日本和德国两个发达国家对磁浮列车的研究投入最大。德国集中力量研 制t r 型常导磁浮列车，目前已达到可供商业使用的成熟程度。h s s t 一0 5 作为 日本第一个可以商业运行的磁浮系统，在1 9 8 9 年的横滨博览会上、在名为 y e s 8 9 的线路上投入商业使用。 从8 0 年代初，我国的一些高校和研究单位开始研究常导型磁浮列车，至 今已取得了一定成果。我校于1 9 9 4 年1 0 月研制成功了我国第一台常导短定 子双向转向架磁浮车，并已通过铁道部科技成果鉴定。我校正在兴建一条4 0 0 多米四川青城山磁浮列车工程试验示范线。 1 2 磁浮列车的发展概况 磁浮列车是用“磁力悬浮的列车”( m a g n e t i c a l l yl e v i t a t e dt r a i n s ) 的简称。德国称为“磁力铁道”，日本称为“直线电机车辆”，原苏联称为“飞 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 行快车”，有些国家称为新交通系统。这是一种轮轨非粘着传动、悬浮于地面 的新交通系统，是介于常规铁路和航空运输之间的一种独特运输方式。磁浮 列车具有高速、安全、舒适、灵活、节能、无公害、噪声小、维护简单、占 地少等优点。在世界交通运输业面临运能不足、线路饱和、设备老化的困境 时，磁浮列车就成为“梦幻般理想”的新一代交通工具。磁浮列车分为常导 型和超导型两大类。前者是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理悬浮气隙 较小，一般为8 l o r m ；而后者利用超导磁体产生强磁场，运动时与布置在 地面上的线圈相互作用，产生电磁斥力，悬浮气隙较大，一般为1 0 0 2 i o 棚。 两种磁浮列车各有其优缺点和不同的技术经济指标，究竟哪种型式的磁浮列 车好，世界各国有不同的看法，至今尚无定论。当今以日本和德国两个发达 国家对磁浮列车的研究投入最大。德国自1 9 7 7 年以后就放弃对超导磁浮列车 的开发研究，而集中力量研制t r 型常导磁浮列车，目前己达到可供商业使用 的成熟程度。日本对两种型式的磁浮列车：常导h s s t 型和超导m l u 型正在进 行大规模的试验。 1 2 1 磁浮列车在德国的发展状况 在德国，无接触的支承、导向和驱动技术工艺方面的发展始于2 0 世纪 6 0 年代末或7 0 年代初。 克劳斯一马菲公司于1 9 6 9 年设计出第一台带短定子线性传动装置的电磁 悬浮实验室模型。2 年后，m b b 公司制造出第一台原理车辆，该车在7 0 0 m 长 的轨道上以达到l o o k m h 的速度。 1 9 7 4 年，克劳斯一马菲公司研制出t r 0 4 号，该车安装的是短定子线性传 动装置，其速度达到2 0 0 k m h ，此外还有m b b 公司研制的彗星号，该车证明 了在4 0 0 k m h 速度范围内电磁悬浮的功能。 采用电磁悬浮技术并在线路上安装了同步长定子线性发动机的第一台载 入车 i m b 2 于1 9 7 6 年出现在卡塞尔( k a s s e l ) 的蒂森亨舍尔( t h y s s e n h e n s c h e l ) 试验基地上。该车长5 m ，重2 5 t ，在仅l o o m 长的线路上达到了 3 6 k m h 的速度。 在数年发展和检验各组成部件之后，以及在1 9 7 7 年决定研制系统之后， 就集中精力进一步发展用同步长定子的电磁悬浮技术。 1 9 7 9 年汉堡国际交通展览会( i r a ) 上展出了试验和示范车t r 0 5 号，在 成功地展示电磁悬浮技术之后。决定在埃姆斯兰建造大型试验设备。与1 9 8 5 嚣辫交通必学硕士研究熊攀僚论文 繁3 贾 年巍始蠖鬻该浚餐，1 9 8 8 年巍t r 0 6 号运稽了大终6 0 0 0 0 k m 。 1 9 8 8 年1 月在进彳亍高速遥彳予试验时，最高达到了4 1 2 6 k m h 的速度。1 9 8 9 年诋实磁浮列车已趋使用成熟期。 摩蒂淼事舍尔公驾为5 0 0 k m h 的速发褥舞发的应鼹原型牵t r o t 号予 1 9 8 9 年裙投入埃姆瓶兰薅遮剃率试验设藏( t v e ) 逡行，该举滁拥有缀可靠 的悬浮和导向系统外，还使用了经过重大改避的安象技术。 经过尼代戆更瑟羧我，嚣裁零r 鍪磁浮翔车邕遮戮毒镤褰鼗健蔼懿或熬程 度。从1 9 9 5 年开始动工修建从柏林汉缳磁浮鲫车专线，全长2 8 6 k m ，时 速为4 2 0 k m h ，用不到一小时跑完全程，该线路2 0 0 3 年开始试遮行。这将是 2 l 墩纪陆上交通运输鲍一个瓤的霆程碑。 1 2 ，2 磁浮列车在日本的发展状况 l 、电动悬浮技术 b 本在1 9 7 2 年庆祝铁路1 0 0 周年之际，将第一辆由国家铁邀协会开技研 制黪电动磁懋浮原理车璇赍缓绘公众，该每在4 8 0 m 长兹试验线毅上遮烈了 6 0 k m h 豹遽浚。 1 9 7 5 年开始在日本镯部容崎附近的九州半岛上建造试验设施。从1 9 7 7 年至1 9 7 9 冬7 k m 长戆试验线袋分貘投入经惩。 1 9 7 9 华髋已经能够将试验率m l 一5 0 0 这到5 1 7 k m h 的创记录速度。第一 次诚实了脊能力将同步线性电动机( 无磁路) 的电动磁悬浮技术用于离遮铁 路。 新的三节试验车m l u 一0 0 1 程新建的u 形线路上避行试验运行。在遗续9 年的运行期闼中，总共进行了9 0 0 0 次试验运行，行驶了约4 0 0 0 0 k m 。通道实 嚣试羧充分浚实了毫凌懋浮搜米靛这耱骞翻豹动力学特往，谨襄了在线薅瓣 近双有特剐微小的噪声，以及在7 k m 长的线路上总计有2 0 0 0 0 个支承线嘲和 1 0 0 0 0 个驱动线圈的高速运行安念性。 1 9 8 7 年3 胃瓤熬电劝悬浮系统( e d s ) 试验举m l u - 0 0 2 在寒蟪试验设蕤 土试验运行。试验车长2 2 m , 耋1 7 t ，可容纳翁4 4 名黎客，车速定为4 2 0 k m h 。 车上的小琶魔由铝结构元髂构成，车辆的芷霹用碳终维加强型塑料臻l 成。必 了改罄，l 、鬯痨隘懋褥毪黎黍率黪逶往，要臻二系弹簧添挂系统褥低滋磁铁与 车体涟接。 2 、h s s t 磁浮铁路系统 西南交潺大学硕士研究生学位论文 第4 页 豳零于1 9 7 5 年开始发展h s s t 技术( h s s t = h i g hs p e e d s u r f a c e t r a n s p o r t i o n 高速路面运输) 。用电磁支承和导向系统的第一辆试验车 h s s t 0 1 号予1 9 7 5 年在1 1 6 k m 长的试验线段上达到3 0 8 k m h 的速度，线性 电动机的驱动行程由触媒火箭保证。在多次大于3 0 0 k m h 的试验行率后，证 明了当幸譬褰运系统使用的发食电磁支承、导翔系绕及线性发动机驱渤艨则上 是合邋瓣。 1 9 7 8 年向公众展出了新銎车辆h s s t - 0 2 号，时速为l o o k m h ，总共9 个 座位。为了改善行车舒适性，在车厢小包间和悬浮框架之间采用了二系弹簧 悬挂系统。1 9 7 8 年1 9 8 1 年试验期间大约输送了3 0 0 0 人次。 为了向广大公众展示磁邀行技术，为了在接近使用的条件下试验新交通 技术激熏要的部分，扶1 9 8 3 年开始建造试验和展览车h s s t - 0 3 号，该车于 1 9 8 5 冬褒筑波国舔工艺展爨会主震塞。试验翻震魏设备壶一条3 0 0 m 长豹行 车线路，一个进出站，一套熊爨供应设备和个维修站组成。该军肖4 8 个座 位，由于线路过短，车速限制为3 0 k m h 。在展照会期间运行时总共输送大约 6 0 0 0 0 0 人次。 1 9 8 6 年，h s s t 0 3 号被送到温哥华国际博j 5 踅会，在那儿该车被用在有弯 道的4 5 0 m 长款线路上，速发达4 0 k m h 。 1 9 8 7 年又建造了耘车h s s 卜0 4 号，重2 4 t ，长1 9 。4 | l l ，可容纳约7 0 名乘 客，设计速度为2 0 0 k m h 。与h s s t 一0 3 号一样，也采用复合支承、导向和驱 动模块化技术，不同的是新结构中，车辆模块化从外面包住了线路。出于展 示的目的，1 9 8 8 年h s s t - 0 4 母在崎玉展览会上展出。h s s t 一0 5 作为网本第一 个可以商业运行的磁浮系统，谯1 9 8 9 年的横滨博览会上、在名为y e s 8 9 的线路上投入商监使用。 1 - 2 - 3 磁浮列车在我圜的发展状况 目前，我国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过中圜铁道科 学研究院、西南交通大学、豳防科技大学、中国料学院电工研究所簿单位对 常导低遥磁悬浮歹车懿悬浮、譬囱、推进等关键技术瓣基歪i | 牲研究，薯对筑 速常粤磁悬浮技术有了一定谈移 ，初步掌握了鬻等低速磁悬浮稳定惫浮的控 制技术。 1 9 9 4 年，我校成功地进行了4 个座位、自徽4 t 、悬浮高度为8 m m 、时速 为3 0 k m 的磁悬浮列车试验。1 9 9 4 年l o 月，我校研制成功了我国第一台常导 堕塑窒婆奎堂塑塑室生兰篁鲨室 蔓! 要 短定子双向转向架磁浮车，并已通过铁道部科技成果鉴定 之后，由铁道科学研究院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技 大学参加，共同研制的长为6 5 m 、宽为3 m 、自重4 t 、内设1 5 个座位的6 t 单转向架磁悬浮试验车在铁道科学研究院环行试验线的轨距为2 m 、长3 6 m 、 设计时速为l o o k m 的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1 9 9 8 年1 2 月通过了铁道部科技成果鉴定。6 t 单转向架磁悬浮试验车的研制成功， 为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技 术领域的空白。 1 2 4 磁浮列车在其他国家的发展状况 在英国，1 9 8 4 年建造了一条6 2 0 m 长的伯明翰磁浮铁路，在一条双轨， 架高6 m 的钢结构线路上，来往运行着三辆有电磁支承、导向系统和直线电动 机驱动的小型磁浮列车，速度可达到5 0 k m h 。 在加拿大，1 9 7 2 年开始研究和开发电动悬浮技术，头几年里，在大规模 的试验范围内，研究了电动支承、导向和驱动技术的基本特性和e d s 车辆的 动力化。接近2 0 世纪7 0 年代末期，旋转检验站开工，它对电动磁悬浮系统 和无铁超导同步线性电动机作试验性的检验。 在法国，法国交通部和德国合作研究和开发磁悬浮技术。突出的设计是 磁悬浮铁路结构，它用电磁式支承、导向系统和所谓u 形线性电动机驱动， 用于市郊运输和管区内运输，车速可达到1 5 0 k m h 。发展异步电动机的特殊 结构形式已处于合作规划的重要地位，电动机由一个马蹄形反作用轨道包围， 因此能明显地显示出有用的电子数据。在1 9 8 3 1 9 8 4 年间，g r e n o b l e 附近 的旋转试验站对电动机进行了实验，速度达到3 0 0 k m h 。 在俄罗斯，在r a m e n s k o j e ( 莫斯科附近) 的磁浮铁路试验设施上，目前 正在检验带线性发电机的电磁悬浮技术，试验车重1 8 t ，长1 2 m ，宽3 5 m ， 高4 2 m 。它用双齿短定子线性发电机来驱动，在6 0 0 m 长的行驶线段上速度 可达到6 0 k m h 。 1 3 磁浮列车控制系统 1 3 1 控制系统的任务 控制系统在磁浮运输系统中扮演着极其重要的角色，如果把磁浮运输系 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 统比 筝一螽激躺，那么运霉控锈蓉绫霞是电瑟孛豹c p u 与总线。控制按零罄 须保证列率自动、无摩擦运行。翳终，列车还要其脊较离的峰值速度和警均 速度，舒适、高的行车密度。准时、可靠以及方便乘客等主要运行质量特征， 这就必须处理运行动力学、保护及控制技术、以及信息的采集、传输和处理 等领域存在的问题。 3 2 行奄控制系统 行车控制系统( 简称b l s ) 结构如图卜i 所示，包含的内容如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 、运行控制系统 运行控制系统分为三个子系统：中央运行控制系统、区域运行控制系统、 列车操作控制系统。 ( 1 ) 中央运行控制系统 产生、修改、管理列车运行数据 在列车开始运行以前或更改运行数据时，将数据送到区域控制系统 监视列车运行状况，在事故发生时通过c r t 显示给予司机警告信息 ( 2 ) 区域运行控制系统 比较列车到达或出发时间，预测列车到达下一站的时间 将列车所需行车时间和行车路线送到列车操作控制系统 根据由中央运行控制系统获得的列车运行数据，控制站间安全控制系 统中的铁路侧线开关 ( 3 ) 列车操作控制系统 根据从区域运行控制系统获得的数据来控制列车，生成低于安全控制 系统限制的速度曲线下的速度数据，并将其送给驱动控制系统 根据前一辆列车的位置确定阻塞区长度，使列车运行不受前一列车的 速度限制 监视列车运行状况和沿线设备，控制列车速度，根据需要对其加速或 减速 2 、驱动控制系统 驱动控制系统分为四个单元：速度控制、相位同步控制、区域控制和安 全制动控制。 ( 1 ) 速度控制单元 产生速度控制数据，根据附加的条件，如运行阻力、车站准确停车位 置、旅客乘车舒适度等来改变从列车操作控制系统传来的速度数据 计算由推进或制动力限定的电流值并将其送给逆变器，将列车的速度 调节到理想值 ( 2 ) 相位同步控制单元 给出l s m 相位控制所需的精确相位同步控制信号，此信号由列车位置 检测系统给出的相位角信号产生并送到逆变器 计算列车速度，将列车位置和速度信号送到速度控制单元 ( 3 ) 区域控制单元 根据列车的位置控制提高l s m 效率的区域开关装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在无电流通过区域开关装置时，将起动、停止时间信号送给逆变器对 开关进行打开、闭合 ( 4 ) 安全制动控制单元 接收来自安全控制系统的安全制动命令并停止逆变器工作 3 、列车位置和速度检测系统 系统采用交叉感应回线作为线路侧的电磁波发射装置，车辆侧三相线圈 作为接收装置，构成列车测速系统 4 4 ：采用分布在线路两侧的位置参考片 和车辆下的传感器构成绝对定位系统，并将所测数据送到各个控制单元。这 些将在下文中详细介绍。 4 、安全控制系统 安全控制系统由四个单元构成：阻塞控制单元、安全速度控制单元、列 车监视和控制单元和车站安全控制单元。 ( 1 ) 阻塞控制单元 由于一个逆变器只能控制一辆列车，故驱动控制系统的控制区域受到列 车阻塞区的限制。阻塞控制单元通过改变阻塞区长度使列车运行速度不受前 面列车的限制。 ( 2 ) 安全速度控制单元 安全速度控制单元在列车运行时无冲撞或出轨的条件下，根据阻塞边界 和路线状况产生一条速度限制曲线。该单元对低于速度曲线的列车实际速度 进行监控。由于一些系统故障使列车速度过高时，控制列车安全制动。 ( 3 ) 列车监视和控制单元 该单元对通信通道进行监督和管理。 ( 4 ) 车站安全控制单元 该单元发送列车靠站后的门控命令和启动命令。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章磁浮列车绝对定位系统的原理和特点 2 1磁浮列车的位置测定 2 1 1 检测目的 从第一章第三节对控制系统的介绍中，不难看出磁浮列车位置和速度检 测是整个控制系统的基础。 在运输系统中，必须检测列车的位置和速度，以保证运行列车之间有一 定的运行间隔，达到安全运行的目的。为确保安全行车，亦须高精度无时延 的列车位置、速度检测信息，一旦出现险情，能及时地实现列车制动。 为保证列车平稳运行，必须有实时、精确的速度信号作为反馈信号对线 性电机进行控制。对于列车的推进线圈的同步供电，位置检测器的精度要在 几个毫米以内。 另外，由于磁浮列车具有自动驾驶功能，在计算机自动控制系统中，所 需的运行管理、分区供电、列车推力、定点停车等信号都是在列车的运行位 置和速度信号的基础上获得。 所以，对于磁浮运输系统来说，可靠、准确、实时的列车位置和速度检 测必不可少。 2 1 2 测速与定位系统的各种方案 目前在国内外中低速磁悬浮列车的测速和相对定位方法有“计数轨枕”、 “交叉回线”和“雷达测速”。其中“轨枕测速”在国防科技大学2 0 4 m 线上 已经成功应用，并获专利：“交叉回线测速”在德国i c e 高速铁路、日本新交 通车( 胶皮轮的城轨车) 、日本名古屋的1 5 k m 长h s s t 磁浮列车试验线和 1 8 4 k m 的超导高速磁浮铁路山梨试验线上，均采用了交叉感应回线来实现定 位、测速。“雷达测速”是在列车上安装多普勒雷达测速设备，雷达定时向地 面设备发送微波，并根据反射微波与入射微波的夹角、入射时间与发射时间 以及雷达距地面的距离计算出列车运行速度。应用交叉感应回线和轨枕计数 进行测速定位只能实现列车相对定位，而相对定位的误差会随着时间积累， 所以必须每隔一定距离就要对列车的位置进行修正。测定磁悬浮列车绝对位 置的方法有“脉宽编码式定位”、“感应式定位”和“应答器方式定位”等。 西南交瀵大学硕士研究生学俊论文 第1 0 页 其中德溺豫高速磁悬浮捌率采用“感应式编礴”实现绝对定谴，“墩答器方 式定位”参考文献 4 5 4 6 。 磁浮列车定位测速系统的各种方案如图2 一l 所示。 图2 一l 磁浮列车定位测速系统各种方案 2 2 磁浮列车绝对定位系统的原理 磁澎列车位置测定是邋避事辆上的有源传感器系统对线路上位嚣露定懿 无瀑译爨耩( 又稼整受参考嚣，1 0 c a t i o n a lr e f e f e n c e dt a m e l l a ，简称l r l ) 进芎亍扫攒为蔽疆。无源译鹃怒通过位置参考片上对导电金属进行特殊处理实 现，位鬣参考片功能面上的鼯电金属是铜。位鬣参考片直接定位在定予绕组 支座的翻转盏上，有源传感器和位置参考片之间浆用无接触方式测定。对车 辆位置数据的扫描可以通过调制传感器系统的电磁场获得。高脉冲频率及大 功率装鬣的深焉将保证有源健感器系统不受铁、霪、薅等环境以及魄磁于撬 豹影穗，叛准确获褥车辆继鬟。 磁浮捌车绝对定位系统怒一个完全独立工俸的系统，由五个部分构成： 位置参考片、有源传感器、储号处理单元、通信单元和显示单元。其结构框 图如图2 2 所示。 西南交逶大学磺士研究生学位论文 露l l 页 图2 2 磁浮列车绝对定位系统结构框图 i 、袋爨参考嚣 位鬣参考片酶形状翔潮2 3 所示，它秘童溪技术指标觅表2 - i 。为了提 高所采集到的数据的准确性，使用二迸制计数。位置参考片的导电屡( 也就 是功能面，导电材料为铜) 分为5 个宽度相同的二进制区域、4 个尺寸相同 的编码窄缝。4 个编码窄缝构成了二进制字节信息，在二进制范围内，每个 二进制数( o i ) 由编码窄缝的相对位置来决定。穗对于二进制区域戆足侮孛 心，我销缀定左透靛编码窄缝为二遂制韵l ，褰逑豹为二送髑鹣0 。举鲷来说， 图孛所示的编码为1 0 1 l 。 图2 - 3 位置参考片的绝对编码 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 表2 - 1 位置参考片主要技术指标 名称长度宽度高度厚度 位置参考片 2 6 2 m m1 5 0 r a m5 1 m m 位置参考片 2 5 8 m m8 0 m m3 5 “m 功能面( 铜) 窄缝 2 m m8 0 r a m3 5 “m 为了减少和防止错误信息的出现，位置参考片的绝对编码采用格雷码顺 序排列。格雷码是一种无权码，其特点是任意两个相邻的码之间只有一个数 不同。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射 码或循环码。 为提高测量范围以及与此有联系的线段绝对里程，在应用时，将4 个位 置参考片组合成1 6 b i t 。当间隔数据为2 0 0 m 时，可测定的线路长度可达 ，= 2 0 0 2 ”= 1 3 0 0 0 k m 通过增大或减少l r l 的数量，系统的使用不会受到限制。 2 、有源传感器 有源传感器的形状如图2 - 4 所示。 图2 4 有源传感器 如图2 - 4 所示的有源传感器。其截面为u 型，两侧均分布有对称的i 0 个感应线圈，一侧的作为发射信号之用，另一侧的用来接收信号。除了中间 的两个感应线圈尺寸较小之外，其他8 个均为相同尺寸。传感器的尺寸、感 应线圈的尺寸及位置参考片的尺寸严格对应，这点将会在后面的设计部分中 详细介绍。 两侧收发线圈连续不间断地工作。发射线圈不间断地发射信号，产生交 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 变的电磁场；接收线圈因此产生交流感生电压。当位置参考片从传感器中间 通过时，由于位置参考片的功能面是由导电材料构成，而且它的厚度也足够 形成电磁屏蔽，所以它将挡住部分磁场，功能面上的编码窄缝则可以让电磁 场通过。这样就会使接收线圈的感生电压产生变化。位置参考片的编码不同， 编码窄缝的位置也不同，接收线圈的感生电压的变化也不同。将感生电压经 过一系列的处理，把模拟信号转换成数字信号，进而通过信号处理电路可得 到位置信息。 3 、信号处理单元 信号处理单元，即为信号处理电路，其功能是根据传感器感生电压的变 化，经过一系列的转换，读取位景参考片的绝对位置编码，并传送到通信单 元中。这个电路将在后面的设计部分中详细介绍。 4 、通讯单元 通讯单元的任务是将列车的位置、 控制系统，对其的要求是传送速度快、 5 、显示单元 运行方向这二组数据实时传送给各个 误差小、传送距离远。 显示单元的功能是显示车辆的位置、行驶方向，根据动态连续地显示磁 浮列车运行的实况，操作员可以得到足够的数据，以决定对出故障的车辆采 取什么措施。 2 3 磁浮列车绝对定位系统的特点 磁浮列车绝对定位系统的特点可以归结为以下几点： 磁浮列车绝对定位系统完全独立工作，能可靠、准确、实时地获得列 车位置信息； 采用高频率脉冲和大功率装置，保证系统基本不受环境条件限制和影 响； 位置参考片采用二进制计数，并按格雷码顺序排列，读数准确，不易 出错，可测定的线路长度长； 采用无接触方式测定线路上的车辆位置信息，无论磁浮列车处于高速 还是低速状态，都能准确获得结果； 磁浮列车绝对定位系统和测速系统相辅相成，在它们的共同作用下， 个别冗余或错误信息不会对列车运行造成障碍，所以列车运行时车体振动和 车体偏离轨道等情况不会影响对列车的定位。 一_ 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 第3 章磁浮列车定位系统中电磁场的分析与计算 3 1似稳场 磁浮列车定位系统传感器中的发射线圈中通有交流电流，产生交变的电 磁场，即时变场。在时变场中，电场和磁场的场量不仅是空间的函数并且也 是时间的函数，两者之间不再相互独立而有紧密联系。 在电磁场中，场点上场量与引起它的激励源在时间上的差异，也就是电 磁波从激励源传播到该场点所需的时间。如果激励源变化得很快，则这种推 迟作用的影响就比较明显；如果变化得不快，则在电磁波从激励源传播到场 点这段时间内，激励源并未发生明显的变化，此时虽然仍有推迟作用，但对 场量的影响就不大。若以兀v 分别表示激励源按正弦变化的周期和传播速度， 上述情况就可表示为：当推迟时间古 丁时，可以不计推迟作用。此条件又 可写成为吉 詈，或詈，= ， 1 ( = 叫v 称为相位常数) 。显然，当 ， 1 时，e 1 ”m 1 ，这表明场点的“响应”和“源点”的“激励”同相， 意味着略去了推迟作用。如果我们引入波长的概念，且定义波长为正弦电磁 波在一个周期内行进的距离，即波长 = uz 则上述条件又可写成 r ( 3 1 ) 上式称为似稳条件。时变场中，满足似稳条件的区域称为似稳区，似稳 区内的时变场称为缓变场。在缓变场中，动态标量位和向量位的表达式分别 与静电场和恒定磁场中的电位和相量磁位的表达式相似。这说明虽然产生电 磁场的激励源( 电荷或电流) 随时间变化，但对每一瞬间来说，标量电位和 向量磁位在空间的分布规律分别和静电场或恒定磁场的分布规律相同。这意 味着可用静电场的计算公式计算时变场中的电场；而用恒定磁场中的计算公 式计算时变场中的磁场。所不同的是，只是时变场中的场量不仅是空间的函 数，也是时间的函数。不满足似稳条件的区域内的场称为迅变场，在那里电 磁场量具有波动性且以波速0 前进。 当正弦电荷和正弦电流的频率很低时，相应的波长很长。如在工频条件 下( 厂= 5 0 h z ) ，自由空间中的电磁波波长x = d t = 6 0 0 0 k m ，因此，当考虑激 励源附近几十公里范围内的电场和磁场时，都可按静电场和恒定磁场的规律 进行分析和计算。如果激励源的频率很高，例如为3 0 0 m h z ，则在自由空间中 的波长凡= u t = i m ，这样，即使分析和计算激励源周围1 m 左右范围内的电磁 场，也非考虑推迟效应不可。可见，似稳区是一个相对的概念。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 在本设计中，当输入电流的频率取2 m t t z 左右，发射线圈与接收线圈之间 的距离取值在6 0 r a m ，即r = 6 0 m m 时，由入= u i t = 亍得， 五：翌坚：1 5 0 0 0 0 肌州 因此 r 满足似稳条件。故传感器系统中产生的电磁场按似稳场分析，即用静电 场的计算公式计算时变场中的电场；而用恒定磁场中的计算公式计算时变场 中的磁场。 3 2 有源传感器中电磁场的分析 车辆位置增量数据采集系统传感器( 见图2 4 ) 中，与线路相对的u 型 排列的传感器系统在其内部产生交变的电磁场。因为r i 0 、f ，f = 2 、r ， 1 0 、r t r o 1 、f ，r = 2 、r ， l 时， ， s ：8 6 8 6 t + 2 0 1 2 丝 占 。8 4 8 5 y 0 2 以上各式中， r f = a 2 + 0 一f ) 2 ，2 足；三 讳。 3 、与谢昆诺夫公式比较 ( 1 ) 比较式( 3 - 1 1 ) 与式( 3 - 9 ) 8 6 8 6 l = 8 6 8 6 a t o t r ，= t l s = 2 ，a 1 5 ，式中( 3 9 ) 中口项可以忽略。 丽k2 去2 忐 ( 3 一1 3 ) 莫泽认为，在这种情况下，当! l “量= 喜时，理论与实际较符合，因 ，l + ， z3 此取z = 3 r ，所以 k j k i 一 8 4 8 54 ( 2 ) 比较式( 3 - 1 2 ) 与式( 3 - 9 ) 1 _ ：皿 2 2 8 2 k 2 2 8 2 j y l z 按正常情况，取z = 2 r 。，所以 !：上 2 2 8 2 k 4 1 k j 覆泰交逶太攀鹾疆窕生擎佼论文 第2 4 燹 ( 3 ) 比较戏( 3 1 3 ) 与式( 3 9 ) 场源为平面波辩 删一磅压压 丽k 一恭毛= 浮志= 志2 8 2 0 ) = 警 2 2 8 2 ： 2 2 8 2 以z ( 孥) v 。 鸬硒氏 2 4 l 鼠醣上院较可黻看出，在给定条件下，雳传输线原理推导的屏蔽效麓计 算公式与矢量方程推导的公式是等效的。其中主要条件是：集肤深度要小于 耪褥厚度，a 1 5 d b ，孱菠投内部多麓反射摸耗忽臻不诗。瓣蘧，鬻震豹楗辩 屏蔽理论是