中低速磁浮列车悬浮控制系统在线监测与故障诊断系统研究

摘要

因噪声小、爬坡能力强、维护工作量小等优势，中低速磁浮列车的工程化应用正在我国大力推广。悬浮控制系统是磁浮列车的核心设备之一，其可靠性和稳定性影响着磁浮列车运行和乘坐人员的安全。因此，开展悬浮控制系统在线监测与故障诊断技术的研究十分迫切。本文以中低速磁浮列车悬浮控制系统为对象，对其在线监测与故障诊断技术方面进行探索性研究。论文主要工作如下： 本文建立了悬浮系统的数学模型，详细分析了电磁铁电感特性、负载电磁铁的电气特性以及悬浮模块的机械特性；结合悬浮控制器的硬件结构和功能，归纳了控制器需要在线监测的器件参数以及相关器件可能出现的故障形式。 针对悬浮控制系统中需要在线监测的器件，设计其参数辨识算法并仿真验证。对于充电电阻，采用欧姆定律计算得到其电阻值；对于支撑电容，采用电容电压充电公式计算得到其电容值；对于电磁铁电阻和电感，采用KVL定律、电感定义公式以及DAC与多级运算放大器配合放大电感电流纹波方法，计算得到电磁铁电阻值与电感值；对于电磁铁温度，采用导体电阻率与其温度的关系计算得到电磁铁温度值。 针对悬浮控制系统中需要故障诊断的器件，设计其故障诊断算法并仿真验证。对于熔断器与接触器，利用其驱动状态、电容电压以及输入电流的关系，得到其故障状态；对于电压传感器，利用输入电压、电容电压以及电磁铁电压波形在开关管开通时的关系，得到其故障状态；对于MOSFET，利用电磁铁电压在不同阶段电压波形不同的特点，得到其故障状态；对于气隙与加速度传感器，利用气隙或加速度三路信号的关系以及某路信号为一常值的持续时间范围，得到其故障状态；对于输入电流传感器，利用其在充电阶段的电流积分与电容电压的关系，得到其故障状态；对于电磁铁电流传感器，利用两者电流关系以及纹波放大后斜率的范围，得到其故障状态。 MATLAB的GUI诊断界面设计。为了便于观测悬浮控制系统的运行情况和故障发生后的各种信号的具体特征，利MATLAB的GUI设计了清晰、直接和灵活的显示界面。主副两个界面实现了充电电阻值、支撑电容值、电压电流传感器输出、气隙传感器输出以及电磁铁电感值、电阻值和温度值的在线监测功能，以及熔断器、接触器、MOSFET、电压电流传感器和气隙与加速度传感器的故障诊断功能。 本文通过对悬浮系统的建模与分析、需要在线监测器件的参数辨识算法以及需要故障诊断器件的诊断算法的探索，完成了仿真验证。而算法的有效性，还需要在实际应用中验证。

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