CN113562033B - 一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置和方法，该装置由长定子直线同步电机的铁心定子、传感线圈阵列以及处理电路构成。传感线圈阵列每行均有m个线圈，共有n列，各行、列传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离。当传感线圈扫过长定子同步电机的定子铁心齿槽时，各传感线圈处理电路输出电脉冲，将各输出脉冲叠加后，在每个电机的槽(或齿)周期中，电脉冲的个数是(m*n)个。因此，若对脉冲计数，即能知道磁浮列车当前的位置，测量两相邻脉冲间的时间，即可算出磁浮列车当前的速度。本发明不需要增加地面设备，维护简单，容易实现，精度仅取决于传感线圈的个数，且具有很强的抗干扰能力和测量精度。

Description

一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置和方法

技术领域

本发明属于高速磁浮列车定位技术领域，尤其涉及一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置和方法。

背景技术

在常导型高速磁悬浮列车中，长定子同步直线电机除为车辆提供运行所需的驱动推力外，同时为车辆提供所需的悬浮力。牵引力和悬浮力共用气隙磁场。当调节牵引力时势必引起悬浮力的变化，即，驱动和悬浮是互相耦合的。为消除牵引力与悬浮力之间的耦合，必须保证定子电流磁场与磁极磁场始终正交，因此必须精确知道列车的当前位置。在高速磁悬浮列车中，长定子有较大的漏电抗，为减小牵引***的容量，必须采用定子分段供电的方法，这也需要知道列车当前的精确位置，为保证列车的安全，防止超速和精准停车，还需要知道列车当前的精确位置和速度，因此高速磁浮车上必须安装定位测速装置，以确保磁浮车能够正常安全运行。

目前，常导型高速磁浮列车定位测速装置主要采用电感齿槽传感，齿槽传感线圈由分别位于齿、槽的两个8字线圈构成，当齿槽传感线圈移动时，线圈电感量变化，在高频电流激励时，产生与定子齿槽关联的正弦电压信号，二套齿槽传感线圈正交布置(相差1/4槽周期)，得到两个正交的正弦电压信号，其反正切值即为在一个齿槽周期内的位置角，由于电机的电枢线圈周期内有6个齿槽周期，因此可以由齿槽位置角换算出定子电枢线圈位置角。显然，这种传感技术的核心是要产生与定子齿槽关联的二组正交正弦电压信号，产生和修处理信号的过程复杂且非线性，需要采用复杂的定标技术，该技术已经在上海高速磁浮车上应用。日本超导型高速磁浮列车定位测速装置采用交叉感应回线技术，需要在地面安装附加设备。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置和方法，本发明不需要增加地面设备，维护简单，容易实现，精度仅取决于传感线圈的个数(m*n)，由于避免了对模拟信号的处理过程，***有很强的抗干扰能力和测量精度。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置，包括安装在地面轨道梁上的长定子直线同步电机的铁心定子、安装在高速磁浮列车上的传感线圈阵列以及与传感线圈阵列中各传感线圈相对应且用于输出电脉冲的处理电路；

所述铁心定子的槽或齿距内每行均设置有m个传感线圈，共有n列，且各行各列的传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离；

所述传感线圈阵列信号经处理得到的脉冲列将铁心定子的槽或齿周期进行划分，即在每个铁心定子的槽或齿周期中，实时均匀产生m*n个电脉冲。

进一步地，所述铁心定子的槽或齿周期的划分以脉冲的方式实现。

基于上述装置，本发明还提供了一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，包括以下步骤：

S1、在地面轨道梁上安装长定子直线同步电机的铁心定子、在高速磁浮列车上安装传感线圈阵列以及与传感线圈阵列中各传感线圈相对应且用于输出电脉冲的处理电路，其中，在所述铁心定子的槽或齿距内每行均设置m个传感线圈，共有n列，各行各列的传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离，且所述传感线圈采用线圈阵列方式排布，并利用处理电路处理各传感线圈信号后得到的脉冲列将所述铁心定子的槽或齿进行划分；

S2、针对传感线圈扫过所述铁心定子的齿槽时，由各传感线圈对应的处理电路输出电脉冲；

S3、将输出的电脉冲进行叠加，在每个铁心定子的槽周期或齿周期中得到最终的电脉冲个数；

S4、根据所述最终的电脉冲个数，确定高速磁浮列车的当前位置，并通过测量相邻两电脉冲间的时间得到高速磁浮列车的当前速度，完成基于传感线圈阵列的高速磁浮列车的定位。

进一步地，所述步骤S1中电气距离的表达式如下：

d＝t/(m*n)

其中，d表示电气距离，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

再进一步地，所述步骤S1中相邻传感线圈的方波电压的相位差的表达式如下：

Θ＝2π/n

其中，Θ表示某列相邻传感线圈的方波电压的相位差，n表示传感线圈的列数，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度。

再进一步地，所述步骤S2中电脉冲的间距角的表达式如下；

其中，

表示电脉冲的间距角，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度。

再进一步地，所述步骤S2中电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离表达式如下：

ΔS＝t/(m*n)

其中，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

再进一步地，所述步骤S4中高速磁浮列车的当前位置的表达式如下：

S＝ΣΔS＝Σt/(m*n)

其中，S表示高速磁浮列车的当前位置，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离，Σ表示求和或叠加，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

再进一步地，所述步骤S4中高速磁浮列车的当前速度的表达式如下：

V＝(kΔS)/t₀

其中，V表示高速磁浮列车的当前速度，t₀表示计数k个电脉冲所花费的时间，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用传感线圈阵列，能够用脉冲列将长定子电机的槽(或齿)周期完美细分，即在每个电机的槽(或齿)周期中，实时产生(m*n)个电脉冲。增加行或列数即可提高测量精度，相邻脉冲间隔时间只与速度相关。本发明不需要增加地面设备，维护简单，容易实现，精度仅取决于传感线圈的个数(m*n)。由于避免了对模拟信号的处理过程，***有很强的抗干扰能力和测量精度。

(2)本发明中计算线圈距离、方波电压相位以及脉冲间距角，均是用来说明精度与传感线圈个数相关，即精度可通过增加线圈个数提高；避开了用模拟信号来均分齿周期；信号处理简单。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本实施例中传感线圈的信号处理与输出示意框图。

图3为本实施例中处理电路原理示意图。

图4为本实施例中处理电路主要波形示意图。

图5为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置，包括安装在地面轨道梁上的长定子直线同步电机的铁心定子、安装在高速磁浮列车上的传感线圈阵列以及与传感线圈阵列中各传感线圈相对应且用于输出电脉冲的处理电路；所述铁心定子的槽或齿距内每行均设置有m个传感线圈，共有n列，且各行各列的传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离；所述传感线圈利用处理线圈阵列信号获得的脉冲列将铁心定子的槽或齿进行划分，所述划分是以脉冲的方式实现的。

本实施例中，传感线圈由高频电流源激励。由物理学知，当传感线圈位于齿面时，线圈电感值大，所以线圈两端电压高，经过处理后得到的电压值大于阈值，判别电路输出为1，相反，在槽面时，由于传感线圈电感值小，线圈电压低，处理后得到的电压值小于阈值，判别电路输出为0，若齿、槽的宽度相等，当传感线圈经过齿槽时，其经过处理后的输出信号是一个0、1各占1/2/的方波，周期与电机槽(齿)距对应。

本实施例中，图2是本发明中传感线圈的信号处理与输出示意框图，图3是一种信号处理电路原理示意图。图3中，高频电流源为传感线圈提供激励，为保证激励信号的稳定性，高频电流源由石英振荡器和电流驱动器构成。传感线圈两端的电压先经过高频放大器放大，再由整流电路整流并经滤波电路滤除高频成分后送至比较电路。当传感器线圈在齿面时，信号大于阈值，比较电路输出高电平；当在槽面时，信号小于阈值，比较电路输出0电平，信号被整形成方波，利用微分电路将方波电压的前沿取出，并用“或门”电路将所有传感线圈对应的方波电压的前沿叠加，于是得到所需要的输出脉冲列，脉冲列信号通过通讯电路经网络(如CAN网络)发送到用户端，或通过驱动器经电缆传送到用户端。

本实施例中，图4是主要波形示意图。图4中虽然只给出了传感线圈1和传感线圈2的波形叠加示意，但对其他传感线圈，规则和方法相同，在数字电路中脉冲叠加用“或”逻辑门来实现。

本实施例中，如图1-图4所示，在该装置中传感线圈及信号处理电路放置在车上，传感线圈距电机的长定子保持约10mm的距离，传感线圈严格按照图1所示规则布置和安装，为确保传感线圈的布置精确度，传感线圈可以采用印刷板(PCB)工艺制造。

本实施例中，整流、整形得到的脉冲与长定子电机的齿(或槽)严格对应，即每个传感线圈对应的方波信号上升沿代表计数了定子的一个齿(或槽)，对上海高速磁浮，一个计数代表86mm。因此，对该脉冲计数，即可用知道列车行驶的距离。该信号可用于对长定子的轨旁开关的控制(长定子换步控制)，也可用于速度值的计算。线圈1+线圈2+…+线圈(m*n)得到的信号，用于直线同步电机的控制，由于在长定子的一对磁极周期中有6个槽(或齿)周期，对线圈1+线圈2+…+线圈(m*n)得到的信号进行计数，再除以及6，即：

式中得到的角度，即是以电机定子一对磁极为周期的相位角。从上式可知，计数(m*n)个脉冲，表示移动了一个槽距，计数6个槽距，高速磁浮列车移动了一对定子磁极距离，该角度是电机控制中实现动子磁极定向所需要的关键量。

基于上述可知，本发明由安装在地面轨道梁上的长定子直线同步电机的铁心定子及安装在磁浮车上的传感线圈阵列和处理电路构成。传感线圈阵列每行均有m个线圈，共有n列，各行、列传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离。该距离为t/(m*n)，t是电机的槽(或齿)距，当传感线圈扫过长定子同步电机的定子铁心齿槽时，各传感线圈对应的处理电路输出电脉冲，将各脉冲叠加后，在每个电机的槽(或齿)周期中，电脉冲的个数是(m*n)个。因此，若对脉冲计数，即能知道磁浮列车当前的位置，测量两相邻脉冲间的时间，即可算出磁浮列车当前的速度，(m*n)越大，位置测量精度越高。本发明不需要增加地面设备，维护简单，容易实现，精度仅取决于传感线圈的个数(m*n)。由于避免了对模拟信号的处理过程，***有很强的抗干扰能力和测量精度。

实施例2

如图5所示，本发明提供了一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其实现方法如下：

S1、在地面轨道梁上安装长定子直线同步电机的铁心定子、在高速磁浮列车上安装传感线圈阵列以及与传感线圈阵列中各传感线圈相对应且用于输出电脉冲的处理电路，其中，在所述铁心定子的槽或齿距内每行均设置m个传感线圈，共有n列，各行各列的传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离，且所述传感线圈采用线圈阵列方式排布，并利用处理电路处理各传感线圈信号后得到的脉冲列将所述铁心定子的槽或齿进行划分；

所述电气距离的表达式如下：

d＝t/(m*n)

其中，d表示电气距离，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

S2、针对传感线圈扫过所述铁心定子的齿槽时，由各传感线圈对应的处理电路输出电脉冲；

S3、将各传感线圈输出的电脉冲进行叠加，在每个铁心定子的槽周期或齿周期中得到最终的电脉冲个数；

S4、根据所述最终的电脉冲个数，确定高速磁浮列车的当前位置，并通过测量相邻两电脉冲间的时间得到高速磁浮列车的当前速度，完成基于传感线圈阵列的高速磁浮列车的定位。

本实施例中，设传感线圈有n列(图中为5列)，每一列均平分一个槽(齿)周期。每列中相邻传感线圈产生的方波电压的相位差是：

Θ＝2π/n

其中，Θ表示各列相邻传感线圈的方波电压的相位差，n表示传感线圈的列数，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度。

传感线圈有m行(图中为4行)，每一行均平分一个Θ角。若将传感线圈产生的方波电压前沿提出并叠加，则各脉冲的间距角：

其中，

表示电脉冲的间距角，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度。

电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离表达式如下：

ΔS＝t/(m*n)

其中，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

本实施例中，采用这种方法，可以将长定子电机的槽(或齿)周期完美细分，即在每个电机的槽(或齿)周期中，实时产生(m*n)个电脉冲。相邻脉冲间隔时间只与速度相关，增加行或列数即可提高测量精度。由于长定子齿槽尺寸不变，可以将(m*n)个传感线圈布置在一个或多个槽(或齿)距内，只要相位关系不变，其结果不变。

计数传感线圈输出脉冲即可得到列车的位置信息：

S＝ΣΔS＝Σt/(m*n)

其中，S表示高速磁浮列车的当前位置，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离，Σ表示求和或叠加，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数，每计数(m*n)个脉冲，列车位置移动t(m)，例如上海高速磁浮t＝0.086(m)。

由于当t、m和n已知时，△S是常数，因此测量相邻两脉冲间的时间即可得列车的速度：

V＝(kΔS)/t₀

其中，V表示高速磁浮列车的当前速度，t₀表示计数k个电脉冲所花费的时间，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离。

本实施例中，传感线圈的信号处理电路原理和波形示意图参见附图2、附图3和附图4，图2是本发明中传感线圈的信号处理与输出示意框图。图3是本发明中处理电路原理示意图，图3中，高频电流源为传感线圈提供激励，传感线圈两端的电压先经过放大，再整流和整形成方波，利用单稳电路将线圈方波电压的前沿取出，并将所有线圈电压的前沿叠加，于是得到所需要的输出脉冲。脉冲列信号通过通讯电路经网络(如CAN网络)发送到用户端，或通过驱动器经电缆传送到用户端。图4是本发明中主要波形示意图，图4中虽然只给出了线圈1和线圈2的波形叠加示意，但对其他线圈，规则和方法相同。在数字电路中脉冲叠加用“或”逻辑门来实现。如图1、2、3、4示出，在该方法中传感线圈及信号处理电路放置在车上，传感线圈距电机的长定子保持约10mm的距离，传感线圈严格按照图1所示规则布置和安装，为确保传感线圈的布置精确度，传感线圈可以采用印刷板(PCB)工艺制造。

Claims (9)

1.一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置，其特征在于，包括安装在地面轨道梁上的长定子直线同步电机的铁心定子、安装在高速磁浮列车上的传感线圈阵列以及与传感线圈阵列中各传感线圈相对应且用于输出电脉冲的处理电路；

所述铁心定子的槽或齿内均设置传感线圈，共有m*n个传感线圈，且各行各列的传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离；

所述传感线圈阵列信号经处理得到的脉冲列将铁心定子的槽或齿周期进行划分，即在每个铁心定子的槽或齿周期中，实时均匀产生m*n个电脉冲，即，若对电脉冲计数，即得到高速磁浮列车当前的位置，测量两相邻脉冲间的时间，即得到高速磁浮列车当前的速度。

2.根据权利要求1所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位装置，其特征在于，所述铁心定子的槽或齿周期的划分以脉冲的方式实现。

3.一种基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在地面轨道梁上安装长定子直线同步电机的铁心定子、在高速磁浮列车上安装传感线圈阵列以及与传感线圈阵列中各传感线圈相对应且用于输出电脉冲的处理电路，其中，在所述铁铁心定子的槽或齿内均设置传感线圈，共有m*n个传感线圈，各行各列的传感线圈间均相互错开一个相同的电气距离，且所述传感线圈采用线圈阵列方式排布，并利用处理电路处理各传感线圈信号后得到的脉冲列将所述铁心定子的槽或齿进行划分；

S2、针对传感线圈扫过所述铁心定子的齿槽时，由各传感线圈对应的处理电路输出电脉冲；

S3、将输出的电脉冲进行叠加，在每个铁心定子的槽周期或齿周期中得到最终的电脉冲个数；

S4、根据所述最终的电脉冲个数，确定高速磁浮列车的当前位置，并通过测量相邻两电脉冲间的时间得到高速磁浮列车的当前速度，完成基于传感线圈阵列的高速磁浮列车的定位，即，若对脉冲计数，即得到高速磁浮列车当前的位置，测量两相邻脉冲间的时间，即得到高速磁浮列车当前的速度。

4.根据权利要求3所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，所述步骤S1中电气距离的表达式如下：

d＝t/(m*n)

其中，d表示电气距离，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

5.根据权利要求3所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，所述步骤S1中相邻传感线圈的方波电压的相位差的表达式如下：

Θ＝2π/n

其中，Θ表示某列相邻传感线圈的方波电压的相位差，n表示传感线圈的列数，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度。

6.根据权利要求3所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，所述步骤S2中电脉冲的间距角的表达式如下；

其中，

表示电脉冲的间距角，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数，2π表示铁心定子的槽距或齿距t对应的角度。

7.根据权利要求6所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，所述步骤S2中电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离表达式如下：

ΔS＝t/(m*n)

其中，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

8.根据权利要求3所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，所述步骤S4中高速磁浮列车的当前位置的表达式如下：

S＝ΣΔS＝Σt/(m*n)

其中，S表示高速磁浮列车的当前位置，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离，Σ表示求和或叠加，t表示铁心定子的槽距或齿距，m表示传感线圈的行数，n表示传感线圈的列数。

9.根据权利要求3所述的基于传感线圈阵列的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，所述步骤S4中高速磁浮列车的当前速度的表达式如下：

V＝(kΔS)/t₀

其中，V表示高速磁浮列车的当前速度，t₀表示计数k个电脉冲所花费的时间，ΔS表示电脉冲中相邻两电脉冲对应的距离。

Images