胡欽，陳特放，唐建湘，陳孝鶯（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

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新型智能磁懸浮汽車半實(shí)物仿真及研究

胡欽，陳特放，唐建湘，陳孝鶯
（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

新型智能磁懸浮汽車由于車體懸浮于軌道之上的獨(dú)特運(yùn)行方式，使得列車具備低噪、高速、零排放、高舒適、轉(zhuǎn)彎半徑小等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)交通發(fā)展的新方向。本項(xiàng)目主要對(duì)新型磁懸浮汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制器設(shè)計(jì)，采用軌道交通和道路交通結(jié)合方式，達(dá)到兩用，交通方式更加多樣。

磁懸?。卉壍澜煌?；道路交通；兩用

1 研究目的和意義

隨著 城市人口成倍增長(zhǎng)、城市道路日益擁擠， 汽車排放尾氣造成嚴(yán)重的空氣污染。因磁懸浮具有低污染、低噪聲、低能耗、高速度、舒適等優(yōu)點(diǎn)，所以將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于汽車上便可設(shè)計(jì)出一款新型智能磁懸浮汽車，懸浮軌道高于路面，既可保持傳統(tǒng)汽車在道路上四輪駕駛，又可在磁懸浮軌道上懸浮行駛，懸浮軌道與道路交通結(jié)合使用，既環(huán)保低碳，又可緩解交通壓力。

2 磁懸浮技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

1989年3月，國(guó)防科技大學(xué)研制出我國(guó)第一臺(tái)磁懸浮試驗(yàn)樣車。1995年，我國(guó)第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成，并且成功進(jìn)行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為300 km的試驗(yàn)。2001年，西南交通大學(xué)研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車樣機(jī)實(shí)驗(yàn)成功。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

日本以HSST系列常導(dǎo)磁懸浮列車為代表和以MLU系列超導(dǎo)磁浮列車為代表的兩個(gè)系列列車車型。2015年4月16日，改造研制的“L0系”超導(dǎo)磁懸浮列車進(jìn)行高速運(yùn)行試驗(yàn)達(dá)到載時(shí)速590 km/h，是世界最高速度。

德國(guó)Kruass Maffei公司1969年就制造出了全世界首臺(tái)EMS型磁懸浮列車——TR-01號(hào)；研制出“TR-06”、“TR-07”兩個(gè)型號(hào)列車，測(cè)試優(yōu)異，獲得德國(guó)政府的技術(shù)成熟評(píng)價(jià)報(bào)告。

3 新型智能磁懸浮汽車的設(shè)計(jì)

3.1 模型構(gòu)想

新型智能磁懸浮汽車構(gòu)想，采用磁浮交通和道路交通結(jié)合。一般情況下，交通擁堵、易發(fā)生安全事故，部分特殊路段如跨河海段車輛無(wú)法通行時(shí)，采用新型智能磁懸浮技術(shù)，緩解交通壓力，并且安全可靠；在雷雨天氣、緊急情況路段，繼續(xù)運(yùn)用四輪駕駛，二者和諧配合。在磁浮交通控制上，將汽車?yán)盟母F索勾住，將其升至空中，與空中環(huán)抱式軌道結(jié)合，到達(dá)磁懸浮高度后，松開鐵索，讓車在磁懸浮軌道上進(jìn)行有序運(yùn)行，達(dá)到無(wú)人智能駕駛操作最佳?？罩芯唧w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空中磁懸浮圖

在道路行駛部分，交通通暢，即可采用正常道路交通陸地行駛。磁懸浮軌道上的汽車此時(shí)四根鐵索再次勾住，將汽車緩慢向下釋放，直至平地，落地后正常行駛。

模型涉及空中智能磁懸浮交通信息控制，空中車聯(lián)網(wǎng)。交通信息的空中交通管制，軌道交錯(cuò)縱橫時(shí)候，剎車錯(cuò)車和控制器的配合。

3.2磁懸浮控制技術(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)新型磁懸浮汽車的構(gòu)想，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用環(huán)抱式結(jié)構(gòu)。為研究方便，我們等價(jià)將其旋轉(zhuǎn)方向180°，研究其直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

3.2.1 硬件部分

采用IGBT對(duì)直流電源斬波來(lái)控制電磁鐵的磁力大小。IGBT型號(hào)為IKW75N60T，使用英飛凌1ED020I12芯片驅(qū)動(dòng)。使用的IGBT耐壓600 V，耐流75 A，足以驅(qū)動(dòng)懸浮使用的電磁鐵。如圖2，左邊接口是與控制器相連，控制IGBT的通斷。右邊接的是驅(qū)動(dòng)電磁鐵的電源。通過(guò)調(diào)整IGBT斬波產(chǎn)生的脈沖的占空比來(lái)控制電磁鐵的長(zhǎng)度。使用位移傳感器來(lái)獲取懸浮體的懸浮距離，轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化，采樣保持得到距離的數(shù)字量，根據(jù)這個(gè)反饋形成閉環(huán)控制。

3.2.2 軟件部分

（1）磁懸浮列車的工作模式。電動(dòng)懸?。‥DS）式磁浮列車和電磁懸?。‥MS）式磁浮列車，EDS式磁浮列車懸浮高度高達(dá)100~150 mm，EMS式通常在8 mm，兩者相差范圍很大，從而導(dǎo)致控制策略上也存在極大差別。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

（2）磁懸浮列車的控制方式。磁懸浮列車的控制方式也因各類控制策略的不斷發(fā)展而有多種選擇。就目前文獻(xiàn)調(diào)查而言，例如電壓反饋閉環(huán)控制策略、PID反饋控制策略[5]、模糊控制策略、模糊PID控制策略、魯棒控制策略等等有近10種不同的方式方法（圖3）。

圖3 軟件控制器內(nèi)容圖

4 研究成果

4.1 SolidWorks三維建模（圖4）

圖4 磁懸浮運(yùn) 動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

在3D模型繪制完成后，將不同懸浮狀態(tài)的列車模型導(dǎo)入仿真軟件中進(jìn)行相應(yīng)準(zhǔn)確的材料屬性配置、仿真環(huán)境條件配置、激勵(lì)源配置、邊界條件設(shè)定等細(xì)節(jié)部分。將包括列車正常 懸浮、前傾、后傾、橫移、轉(zhuǎn)彎等在內(nèi)的多種懸浮狀態(tài)的3D模型最大程度上還原于實(shí)物模型，計(jì)劃以1:24比例進(jìn)行繪制，繪制出相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)與實(shí)物列車最為相似的仿真模型并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)正確匹配設(shè)定，仿真獲得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間誤差最小化。

4.2 實(shí)物磁懸浮技術(shù)模擬

為研究磁懸浮技術(shù)，制作圓盤式磁懸浮結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 磁懸浮圓盤

圓盤式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱四角有四塊電磁鐵，提供電磁力。

通過(guò)電源和控制回路及位移傳感器，對(duì)電磁鐵電磁力控制，對(duì)圓盤實(shí)現(xiàn)加速、減速、懸浮高度等參數(shù)調(diào)整。

5 創(chuàng)新特色和應(yīng)用前景

作品的創(chuàng)新特色：（1）將磁懸浮列車技術(shù)加以改進(jìn)，應(yīng)用于汽車上，設(shè)計(jì)出既可在路面上行駛又可懸浮于軌道的汽車，既環(huán)保低碳，又可一車雙用。（2）將懸浮軌道置于空中，一來(lái)造價(jià)成本低、方便施工，其次不用占路面、車站、停車場(chǎng)等地上交通設(shè)施，節(jié)省了寶貴的城市建設(shè)用地和發(fā)展空間。作品的應(yīng)用前景：新型智能磁懸浮汽車既低碳環(huán)保、可緩解交通壓力，同時(shí)具備低噪聲、低能耗、高速度、占地少、舒適等顯著優(yōu)點(diǎn)，一旦得以推廣使用，將會(huì)成為一種重要的新型交通工具。

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