磁懸浮列車測速定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：交叉感應(yīng)回線測速定位的原理；為了彌補(bǔ)由單個(gè)線圈組成的車載線圈在磁懸浮列車惡劣的電磁環(huán)境中抗干擾不足的問題，提出了由兩個(gè)交充叉線圈組成車載線圈的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：交叉感應(yīng)回線 測速 定位

磁懸浮列車是新一代交通工具，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(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)，列車必須具有超速保護(hù)、自動聯(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。

由于磁懸浮列車是無輪子的，運(yùn)行時(shí)車與軌道不接觸，列車的測速定位與傳統(tǒng)的輪軌鐵路測速不同。一般說來，實(shí)現(xiàn)磁懸浮列車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(yīng)回線定位測速。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(fù)雜地形適應(yīng)能力不強(qiáng)，而且它的設(shè)備復(fù)雜、成本高；第二種方法在我校的試驗(yàn)線上已經(jīng)應(yīng)用，但它存在一些問題，如精度受軌間距是否相等的影響、轉(zhuǎn)彎處誤差大等。日本、德國等國家采用了不同的方案來實(shí)現(xiàn)列車的測速定位，而我國在這方面的研究相對來說較少。本文主要針對磁懸浮列車惡劣的電磁環(huán)境，在交叉感應(yīng)回線的基礎(chǔ)上，提出了由兩個(gè)線圈組成車載線圈的設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)的基本原理

交叉感應(yīng)回線是使用電纜按一定間隔繞制成一個(gè)環(huán)路設(shè)于軌道上而形成的。圖1為交叉感應(yīng)線和位置脈沖圖。其中，虛線和實(shí)線中的電流方向相反，大小相同。它在相鄰回路的感應(yīng)電勢相反，當(dāng)基通入交流電流時(shí)，就沿著軌道形成變化的磁場。根據(jù)法拉第電磁應(yīng)定律e=L(dφ/dt)可知感應(yīng)電勢與磁通成正比。由于磁通與磁場穿過線圈的有效面積成正比，當(dāng)車乳汁線圈與環(huán)路有重疊時(shí)，車載線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此重疊的有效面積越大感應(yīng)電勢就越高。車載線圈處于交叉感應(yīng)回線回路的正上方時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最大，而位于相鄰回路的交叉部分時(shí)，其感應(yīng)電壓為零，所以列車連續(xù)移動時(shí)，車載線圈輸出的電壓經(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(yīng)回線及其激磁源與車載線圈及處理電路。激磁源是一個(gè)交流電源源，為感應(yīng)回線提供交流信號，然后由感應(yīng)回線發(fā)送出去；車載線圈感應(yīng)接收感應(yīng)回線發(fā)送的信號，然后由處理電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送單片機(jī)處理、傳送、顯示。其原理框圖見圖2。

2 系統(tǒng)抗干擾的實(shí)現(xiàn)及其數(shù)學(xué)推導(dǎo)

大量實(shí)驗(yàn)表明，在比較理想的環(huán)境中采用單個(gè)線圈組成的車載線圈可以得到正確結(jié)果，同時(shí)也驗(yàn)證了該原理的正確性。但是在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)了一些問題，其中最重要的是噪聲把信號全部淹沒，根本得不到有用的位置脈沖。噪聲主要來源有：懸浮控制器、電磁鐵、牽引直線電機(jī)以及別的一些電磁設(shè)備；其特點(diǎn)是：強(qiáng)度高、頻譜寬、可通過車載線圈感應(yīng)調(diào)制進(jìn)行系統(tǒng)。為了解決干擾所帶來的問題，提出了回線交叉、由兩個(gè)交叉線圈取代單線圈以組成車載線圈的方案。

2.1 車載線圈

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

e(t)=L[dφ(t)/dt]

諧振電路的傳遞函數(shù)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(dāng)ω等于某個(gè)常數(shù)時(shí)，G對于x(t)是一個(gè)線性算子，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穿過車載線圈的磁通與輸出電勢的關(guān)系。

2.2 交叉感應(yīng)回線

交叉感應(yīng)回線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(tǒng)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，長為30cm；車載線圈的大小與感應(yīng)回線的回路的大小相同，兩線圈相隔也為30cm。當(dāng)交叉感應(yīng)回線中通入一直流時(shí)，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度在空間上是變化的。但在某一高度時(shí)，回路正上方的磁場基本相等，近似于恒定磁場，因此把這一高度稱為穩(wěn)定高度。當(dāng)車載線圈以穩(wěn)定高度進(jìn)入該磁場區(qū)域時(shí)，穿過它的有效磁通與進(jìn)入該區(qū)域的面積成正比。穩(wěn)定高度與交叉感應(yīng)回線的回路大小有關(guān)，見表1。

表1 回路大小與穩(wěn)定高度的關(guān)系

注：a為回路寬（cm），b為回路長（cm）。

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

假設(shè)當(dāng)車載線圈在回路的正上方時(shí)，穿過它的磁通為φ，另外還假設(shè)外界雜散磁場產(chǎn)生的磁通為φ0（除交叉感應(yīng)回線產(chǎn)生的磁場以外的）。設(shè)A（x）為車載線圈x處的相應(yīng)磁通與在交叉感應(yīng)回路正上方的磁通之比，從前面的分析知道，電磁場（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A（x）是周期函數(shù)，在半個(gè)周期里成梯形。

單個(gè)線圈組成的車載圈輸出為：

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法濾掉噪聲G（φ0）。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中已得到驗(yàn)證。

由兩個(gè)相連線圈組成的車載線圈輸出為：

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)線圈輸出的有用信號的兩倍。

3 測速定位的實(shí)現(xiàn)

3.1 測頻測速法

把諧振回路輸出的信號通過濾波、檢波、整形后得到位置脈沖（方波信號）。通過單片機(jī)系統(tǒng)測得方波頻率，然后可得車速v=kω。其中，ω是方波頻率，k為一常數(shù)，它與車載線圈的組數(shù)以及交叉感應(yīng)回線有關(guān)。

3.2 分段計(jì)數(shù)定位

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

隨著磁懸浮列車的發(fā)展，需要實(shí)現(xiàn)列車的速度反饋控制、超速保護(hù)、自動聯(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(yīng)用前景。