一种基于附加交变电压的无气隙传感器电磁吸力悬浮控制方法

摘要

本发明公开了一种基于附加交变电压的无气隙传感器电磁吸力悬浮控制方法，采用在悬浮电磁铁线圈闭环控制电压中掺杂具有一定特征的交变电压，施加在悬浮电磁铁线圈，在线圈中得到含有相同特征的分量的电流，根据输入掺杂的特征交变电压和线圈电流中具有相同特征的电流分量辨识出悬浮电磁铁线圈电感，通过电感得到悬浮电磁铁气隙，使用此气隙值进行闭环控制。由于不采用气隙传感器，可以大大简化系统，通过附加线圈得到的电感可以反映真实的悬浮气隙，本发明可以降低磁浮列车系统轨道精度要求，也不会由于气隙传感器的测量不准确导致系统控制不稳定，可以比较好的解决磁浮列车过轨缝、齿槽效应等问题，具有可靠性高、成本低，安全可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无气隙传感器的电磁吸力悬浮控制的方法，尤其 涉及一种用于磁浮车的悬浮控制与系统辨识。

背景技术

电磁吸力悬浮系统是不稳定的系统，通常需要气隙反馈控制实现 系统稳定。对电磁吸力悬浮来说，由于电磁力与气隙值成近似平方反 比关系，电磁铁电流不变时，气隙小电磁力增大，会进一步减小气隙， 气隙大电磁力减小，会进一步增加气隙，所以系统不会稳定。如果需 要实现物体的稳定悬浮，就需要对电磁铁电流进行调节，比如当气隙 变小时，减小电磁铁电流，使得电磁力减小，物体可以下落至原位； 当气隙变大时，增加电磁铁电流，使得电磁力增大，物体可以上升至 原位。显然，需要对气隙值进行反馈来控制电流，理论分析显示如果 需要系统稳定还需要采用气隙值的微分量进行反馈。所以目前的电磁 吸力悬浮控制系统均采用气隙传感器检测气隙值并且通过该气隙值 进行电磁铁电流的控制。

这种方法的缺点是系统的安全可靠以及稳定很大程度上依赖于 气隙传感器的检测值。对磁浮列车来说，气隙传感器通常装在悬浮电 磁铁上，通过气隙传感器检测轨道上检测面间的距离来反映电磁铁与 轨道悬浮面的距离(即悬浮间隙)。这就意味着要保证气隙传感器的 安装精度、传感器的检测精度与稳定性以及气隙传感器检测面与悬浮 面的加工精度，也就是对轨道的要求比较高，需要保证悬浮面与检测 面各自的精度以及两者的相对精度。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的通过对悬浮系统自身的 辨识得到用于控制的悬浮气隙值，而不需要使用气隙传感器。

本发明的目的是通过如下的方法实现的。

一种基于附加交变电压的无气隙传感器电磁吸力悬浮控制方法， 用于控制电磁铁与悬浮物间的气隙长度；在由电磁铁、悬浮物、气隙 辨识单元和悬浮控制单元构造的电磁吸力悬浮控制系统中，通过如下 的方法对气隙长度进行闭环控制：在闭环控制输出控制电压中掺杂具 有一定特征的附加电压；随后检测电磁铁系统输出电流；分析输出电 流中与附加电压同特征的分量，通过分析附加电压和具有同样特征的 电流分量，在线实时辨识得到当前电磁铁系统的电阻和电感参数；再 根据所得系统电感与悬浮气隙间的一一对应关系测得系统的气隙值； 然后根据气隙值对系统进行闭环控制，调节电磁铁电流调节电磁力使 得悬浮物在所选定的气隙长度附近稳定悬浮。

采用本发明的方法，避免了对采用更容易引入前述轨道、设备安 装及制造误差等多种外部误差的气隙传感器的依赖。从电磁学上看， 电磁铁和悬浮物(或轨道)构成电感、电阻系统，其中电阻和电磁铁 本身以及温度等有关，电感主要取决与电磁铁材料、匝数等自身参数 和电磁铁与悬浮物的距离等。当电磁铁和悬浮物确定之后，系统的电 感量主要取决于两者之间的距离，距离越近电感量越大，反之，距离 越远电感量越小，悬浮距离与电感量之间的关系通过理论分析或者试 验是可以确定的。理论上讲，电感量与悬浮距离成反比关系。在实际 中两者具有一一对应关系，也就是说通过系统的电感值可以得到系统 的悬浮间隙值。

对悬浮系统来说通常采用斩波器，系统输入电压，在悬浮电磁铁 上得到电磁铁电流，悬浮电磁铁是电感、电阻组成的一阶系统。电感 值、电阻值不同时，通过相同具有一定特征的电压会得到具有相同特 征的不同的电流分量，电流分量的大小可以反映电感和电阻的大小。 所以通过分析同一特征的电压和电流可以实时辨识出系统当前的电 感、电阻。通过实时辨识得到的电感可以得到系统的间隙值，通过该 辨识值对系统进行闭环反馈控制，控制系统稳定。

本发明方法适用于通常的电磁吸力悬浮控制系统，通过辨识得到 的间隙值可以真实的反映悬浮电磁铁与轨道的间隙值，并且不需要气 隙传感器，系统简化的同时对轨道的要求也大大降低，也不会由于传 感器的测量不准确导致系统控制不稳定，可以比较好的解决磁浮列车 过轨缝等问题，具有可靠性高、成本低，安全可靠等优点。

附图说明

图1是传统气隙传感器的安装与检测关系图。

图2是传统的采用气隙传感器的电磁吸力悬浮控制系统框图。

图3是基于附加交变电压的无气隙传感器电磁吸力悬浮控制系统 框图。

具体实施方式

显然，本发明方法在现有技术外围条件下具有多种具体实现的方 式。

图3表达了其中一种具体实施方式：在闭环控制输出控制电压中 掺杂某一固定频率的谐波电压，检测电磁铁系统输出电流，分析输出 电流中该频率的基波分量，通过分析该频率下的电压分量和电流分 量，在线实时辨识得到当前电磁铁系统的电阻和电感参数；根据电感， 查找事先通过实验做好的电感-气隙对照表得到当前的气隙值，使用 该气隙值进行闭环控制保证悬浮物可以在预先选定的气隙长度附近 稳定悬浮。

本发明可以用任何电磁吸力悬浮系统，不采用气隙传感器，简化 系统，降低对轨道的要求，也可以增加加速度传感器，用于观测气隙 微分(速度)。