磁懸浮列車(chē)測速定位系統的設計與實(shí)現

摘要：交叉感應回線(xiàn)測速定位的原理；為了彌補由單個(gè)線(xiàn)圈組成的車(chē)載線(xiàn)圈在磁懸浮列車(chē)惡劣的電磁環(huán)境中抗干擾不足的問(wèn)題，提出了由兩個(gè)交充叉線(xiàn)圈組成車(chē)載線(xiàn)圈的設計方案。

關(guān)鍵詞：交叉感應回線(xiàn) 測速 定位

磁懸浮列車(chē)是新一代交通工具，具有速度快、安全性高、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了充分實(shí)現上述優(yōu)點(diǎn)，列車(chē)必須具有超速保護、自動(dòng)聯(lián)鎖和閉塞等功能。這樣，速度和位置就是兩個(gè)必不可少的參量。

由于磁懸浮列車(chē)是無(wú)輪子的，運行時(shí)車(chē)與軌道不接觸，列車(chē)的測速定位與傳統的輪軌鐵路測速不同。一般說(shuō)來(lái)，實(shí)現磁懸浮列車(chē)的測速定位大致有三種方法：（1）微波定位測速；（2）接近傳感器定位測速；（3）交叉感應回線(xiàn)定位測速。第一種方法由于微波傳播受到多徑傳播干擾，惡劣的天氣對其性能影響較大，因此對復雜地形適應能力不強，而且它的設備復雜、成本高；第二種方法在我校的試驗線(xiàn)上已經(jīng)應用，但它存在一些問(wèn)題，如精度受軌間距是否相等的影響、轉彎處誤差大等。日本、德國等國家采用了不同的方案來(lái)實(shí)現列車(chē)的測速定位，而我國在這方面的研究相對來(lái)說(shuō)較少。本文主要針對磁懸浮列車(chē)惡劣的電磁環(huán)境，在交叉感應回線(xiàn)的基礎上，提出了由兩個(gè)線(xiàn)圈組成車(chē)載線(xiàn)圈的設計方案。

1 設計的基本原理

交叉感應回線(xiàn)是使用電纜按一定間隔繞制成一個(gè)環(huán)路設于軌道上而形成的。圖1為交叉感應線(xiàn)和位置脈沖圖。其中，虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)中的電流方向相反，大小相同。它在相鄰回路的感應電勢相反，當基通入交流電流時(shí)，就沿著(zhù)軌道形成變化的磁場(chǎng)。根據法拉第電磁應定律e=L(dφ/dt)可知感應電勢與磁通成正比。由于磁通與磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈的有效面積成正比，當車(chē)乳汁線(xiàn)圈與環(huán)路有重疊時(shí)，車(chē)載線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電勢，因此重疊的有效面積越大感應電勢就越高。車(chē)載線(xiàn)圈處于交叉感應回線(xiàn)回路的正上方時(shí)，產(chǎn)生的感應電壓最大，而位于相鄰回路的交叉部分時(shí)，其感應電壓為零，所以列車(chē)連續移動(dòng)時(shí)，車(chē)載線(xiàn)圈輸出的電壓經(jīng)濾波整形后就形成位置脈沖，提供位置信息。把位置的變化量與所用時(shí)間相比就可以得到速度。

整套裝置包括兩部分：交叉感應回線(xiàn)及其激磁源與車(chē)載線(xiàn)圈及處理電路。激磁源是一個(gè)交流電源源，為感應回線(xiàn)提供交流信號，然后由感應回線(xiàn)發(fā)送出去；車(chē)載線(xiàn)圈感應接收感應回線(xiàn)發(fā)送的信號，然后由處理電路轉化成數字信號送單片機處理、傳送、顯示。其原理框圖見(jiàn)圖2。

2 系統抗干擾的實(shí)現及其數學(xué)推導

大量實(shí)驗表明，在比較理想的環(huán)境中采用單個(gè)線(xiàn)圈組成的車(chē)載線(xiàn)圈可以得到正確結果，同時(shí)也驗證了該原理的正確性。但是在現場(chǎng)實(shí)驗中卻出現了一些問(wèn)題，其中最重要的是噪聲把信號全部淹沒(méi)，根本得不到有用的位置脈沖。噪聲主要來(lái)源有：懸浮控制器、電磁鐵、牽引直線(xiàn)電機以及別的一些電磁設備；其特點(diǎn)是：強度高、頻譜寬、可通過(guò)車(chē)載線(xiàn)圈感應調制進(jìn)行系統。為了解決干擾所帶來(lái)的問(wèn)題，提出了回線(xiàn)交叉、由兩個(gè)交叉線(xiàn)圈取代單線(xiàn)圈以組成車(chē)載線(xiàn)圈的方案。

2.1 車(chē)載線(xiàn)圈

車(chē)載線(xiàn)圈由兩個(gè)線(xiàn)圈交叉相連組成，這兩個(gè)線(xiàn)圈位于同一平面內，相隔一定距離，該距離由交叉感應回線(xiàn)的情況確定。車(chē)載線(xiàn)圈與后面一些電路組成諧振接收回路。根據電磁感應定律得車(chē)載線(xiàn)圈中某一圈的感應電勢為：

e(t)=L[dφ(t)/dt]

諧振電路的傳遞函數模型為：

g(s)=ks/s2+2ξs+ω0 2

諧振回路的輸出為：

y=l -1{g(s)l[e(t)]}

=l -1{g(s)l[dφ(t)/dt]}

其中，l表示拉氏變換，l -1表示拉氏逆變換。

為了表態(tài)上式，在此定義一個(gè)算子G（x（t）,ω）。當ω等于某個(gè)常數時(shí)，G對于x(t)是一個(gè)線(xiàn)性算子，則有：G（x+y,ω)=G（x,ω）+G（y,ω），G（kx，ω）=kG(x，ω)。在本文中，該算子表示在諧振頻率點(diǎn)ω穿過(guò)車(chē)載線(xiàn)圈的磁通與輸出電勢的關(guān)系。

2.2 交叉感應回線(xiàn)

交叉感應回線(xiàn)的回路可以繞制成不同的形狀，如矩形、圓形等。其形狀對整個(gè)系統性能影響不大，為了方便，采用矩形。相鄰回路間隔30cm，回路寬為10cm，長(cháng)為30cm；車(chē)載線(xiàn)圈的大小與感應回線(xiàn)的回路的大小相同，兩線(xiàn)圈相隔也為30cm。當交叉感應回線(xiàn)中通入一直流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度在空間上是變化的。但在某一高度時(shí)，回路正上方的磁場(chǎng)基本相等，近似于恒定磁場(chǎng)，因此把這一高度稱(chēng)為穩定高度。當車(chē)載線(xiàn)圈以穩定高度進(jìn)入該磁場(chǎng)區域時(shí)，穿過(guò)它的有效磁通與進(jìn)入該區域的面積成正比。穩定高度與交叉感應回線(xiàn)的回路大小有關(guān)，見(jiàn)表1。

表1 回路大小與穩定高度的關(guān)系

注：a為回路寬（cm），b為回路長(cháng)（cm）。

下面結合交叉感應回線(xiàn)（以相鄰兩回路間隔與回路大小相同為例）比較車(chē)載線(xiàn)圈分別為單個(gè)線(xiàn)圈和兩個(gè)交叉相連線(xiàn)圈的情況。圖3為車(chē)載線(xiàn)圈中兩個(gè)線(xiàn)圈的相對位置關(guān)系。車(chē)載線(xiàn)圈的長(cháng)為回路的1/3，寬與回路相等；車(chē)載線(xiàn)圈距離交叉感應回線(xiàn)的穩定高度為H。

假設當車(chē)載線(xiàn)圈在回路的正上方時(shí)，穿過(guò)它的磁通為φ，另外還假設外界雜散磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通為φ0（除交叉感應回線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)以外的）。設A（x）為車(chē)載線(xiàn)圈x處的相應磁通與在交叉感應回路正上方的磁通之比，從前面的分析知道，電磁場(chǎng)（包絡(luò )）的變化關(guān)系可近似看成一三態(tài)方波（-1,0,1）所以有：

A（x）=A(x+1.2)

可見(jiàn)A（x）是周期函數，在半個(gè)周期里成梯形。

單個(gè)線(xiàn)圈組成的車(chē)載圈輸出為：

y1=G（A（x）φ+φ0,ω)

=A(x)G(φ,ω)+G(φ0,ω) (1)

其中，ω為諧振回路的中心頻率。

從（1）式可以看出，G（φ，ω）與G（φ0，ω）載波頻率一樣，同為諧振頻率，所以在帶通濾波器中無(wú)法濾掉噪聲G（φ0）。這一點(diǎn)在實(shí)驗中已得到驗證。

由兩個(gè)相連線(xiàn)圈組成的車(chē)載線(xiàn)圈輸出為：

y2=G(A(x)φ+φ0,ω)-G(-A(x)φ+φ0,ω)

=A(x)G(φ,ω)+G(φ0,ω)-A(x)G(-φ,ω)-G(φ0,ω)

=A(x)G(φ,ω)+A(x)G(φ,ω)

=2A(x)G(φ,ω) (2)

從（2）式看得出，從兩個(gè)線(xiàn)圈中輸出的信號完全為有用信號，而且該有用信號為單個(gè)線(xiàn)圈輸出的有用信號的兩倍。

3 測速定位的實(shí)現

3.1 測頻測速法

把諧振回路輸出的信號通過(guò)濾波、檢波、整形后得到位置脈沖（方波信號）。通過(guò)單片機系統測得方波頻率，然后可得車(chē)速v=kω。其中，ω是方波頻率，k為一常數，它與車(chē)載線(xiàn)圈的組數以及交叉感應回線(xiàn)有關(guān)。

3.2 分段計數定位

對于單組車(chē)載線(xiàn)圈，所得的方波信號的電平變化一次，車(chē)前進(jìn)30cm。由于線(xiàn)路太長(cháng)，就得把其分成多段，假設每段長(cháng)為L(cháng)。如果段計數器的值為m，電閏變化計數器的值為n，則x=m×L+n×0.3(m)。為了提高測量精度，可以用三組車(chē)載線(xiàn)圈，它們之間相隔40cm（即相位相差120°），這樣精度可提高3倍。

隨著(zhù)磁懸浮列車(chē)的發(fā)展，需要實(shí)現列車(chē)的速度反饋控制、超速保護、自動(dòng)聯(lián)鎖和閉塞等功能，而這些功能都是基于精確的測速定位手段的。本文所提出的方案可以滿(mǎn)足上述要求。另外，該技術(shù)在鋼鐵行業(yè)、焦化行業(yè)等領(lǐng)域也有廣闊的應用前景。