晁 闖 吳 峻 洪小波 鄭瑤佳

(1.國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，410073，長(zhǎng)沙;2.北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，100028，北京∥第一作者，碩士研究生)

我國(guó)磁浮交通技術(shù)研究起步較晚，加上德國(guó)嚴(yán)密封鎖技術(shù)，在高速磁浮車輛國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中遇到了許多困難，這些困難主要體現(xiàn)在核心技術(shù)的突破上。本文針對(duì)高速磁浮車輛懸浮控制與同步牽引兩種核心技術(shù)，對(duì)比分析了分別在懸浮控制技術(shù)和牽引控制技術(shù)上發(fā)揮重要作用的電感型傳感器——懸浮間隙傳感器與相對(duì)定位傳感器，討論了兩者的共性技術(shù)及各自的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了兩者未來(lái)研究的側(cè)重方向。

1 兩種傳感器的應(yīng)用差異

高速磁浮車輛與軌道無(wú)接觸運(yùn)行，它通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)懸浮與導(dǎo)向。懸浮控制系統(tǒng)控制車體和軌道之間的垂向間隙大小。為實(shí)現(xiàn)列車穩(wěn)定懸浮，懸浮間隙傳感器(見(jiàn)圖1)必須隨時(shí)為懸浮控制系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的間隙信息。因此，懸浮間隙傳感器的研制是懸浮控制系統(tǒng)研究的核心任務(wù)之一。

圖1 懸浮間隙傳感器Fig.1 Levitation gap sensor

同樣，高速磁浮車輛采用直線同步電機(jī)牽引技術(shù)，軌道可以看作直線電機(jī)的定子，車體可以看作動(dòng)子。為實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定的直線牽引控制，必須檢測(cè)出動(dòng)子的準(zhǔn)確相位。相對(duì)定位傳感器見(jiàn)圖2。在車輛測(cè)速定位系統(tǒng)中，相對(duì)定位傳感器需要為牽引控制提供足夠精度的次級(jí)極相角信息，為運(yùn)行控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的速度信息。因此，在牽引控制系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)研究中，相對(duì)定位傳感器的研制也是核心任務(wù)之一。

圖2 相對(duì)定位傳感器Fig.2 Relative positioning sensor

2 兩種傳感器的共性技術(shù)

盡管兩者功能不同，但都是針對(duì)長(zhǎng)定子齒槽面的非接觸式測(cè)量，只是兩者分別利用不同的信號(hào)處理方法提取出不同的信號(hào)。兩種傳感器的設(shè)計(jì)研究中存在不少共性技術(shù)，包括檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗電磁干擾和抗溫度漂移等技術(shù)。

2.1 檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩種傳感器均屬于電感式傳感器，且均通過(guò)檢測(cè)線圈與長(zhǎng)定子齒槽面間的電磁感應(yīng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量(見(jiàn)圖3)，而齒槽結(jié)構(gòu)會(huì)影響檢測(cè)線圈處的等效電感大小。因此，兩者檢測(cè)線圈的設(shè)計(jì)需要考慮齒槽結(jié)構(gòu)的影響。但在檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，兩者的側(cè)重點(diǎn)有所不同。對(duì)于懸浮間隙傳感器而言，在弱化齒槽效應(yīng)的同時(shí)需保證其檢測(cè)的靈敏度;對(duì)于相對(duì)定位傳感器而言，檢測(cè)線圈必須對(duì)齒槽結(jié)構(gòu)敏感［1-2］。

圖3 傳感器檢測(cè)線圈與長(zhǎng)定子的關(guān)系Fig.3 Relationship between sensor detection coil and long stator

2.2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電感式傳感器的基本結(jié)構(gòu)形式包括調(diào)頻式、調(diào)頻調(diào)幅式和恒頻調(diào)幅式?？紤]到兩種傳感器工作環(huán)境較惡劣，且對(duì)穩(wěn)定性、靈敏度和線性范圍要求較高，選用恒頻調(diào)幅式電路較為理想。兩種傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖4～5所示。兩種傳感器的電路結(jié)構(gòu)基本相似，它們具有以下共同特點(diǎn):

圖4 懸浮間隙傳感器的電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of levitation gap sensor

圖5 相對(duì)定位傳感器的電路結(jié)構(gòu)Fig.5 Circuit structure of relative positioning sensor

1)信號(hào)處理均在DSP以及現(xiàn)場(chǎng)FPGA的算法程序中完成，且可以在1個(gè)通用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種處理方法;

2)標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取、處理，以及補(bǔ)償參數(shù)的輸入均在1個(gè)程序中完成，無(wú)需人工干預(yù);

3)均可與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令對(duì)傳感器各部分功能進(jìn)行檢測(cè)和診斷。

2.3 抗電磁干擾

懸浮間隙空間中存在牽引行波磁場(chǎng)干擾、懸浮磁場(chǎng)干擾，以及傳感器本身檢測(cè)線圈之間的互干擾等多種干擾。這些干擾極易經(jīng)檢測(cè)線圈耦合進(jìn)入傳感器電路中，影響檢測(cè)精度。因此，必須采取有效措施提升傳感器抗電磁干擾的能力［3-4］。

2.4 動(dòng)態(tài)性能研究

懸浮間隙傳感器的動(dòng)態(tài)特性關(guān)系到懸浮控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。在高速條件下，間隙傳感器能否實(shí)時(shí)跟蹤軌道關(guān)系到行車安全。因此，應(yīng)對(duì)間隙傳感器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行考察評(píng)估，以明確它是否會(huì)影響列車在高速運(yùn)行條件下的安全性。此外，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過(guò)100 km/h時(shí)，直線同步電機(jī)采用反電勢(shì)法來(lái)確定磁極位置，而此時(shí)相對(duì)定位傳感器未參與到牽引控制中，但其信號(hào)仍可作為參考。因此，亦須在車輛的全速度范圍內(nèi)考察評(píng)估相對(duì)位置傳感器的動(dòng)態(tài)特性。

2.5 抗溫度漂移

高速磁浮列車長(zhǎng)時(shí)間工作后，電磁鐵表面溫度可以達(dá)到85～120℃。而懸浮間隙傳感器安裝在懸浮電磁鐵磁極之間，相對(duì)定位傳感器安裝在頭車懸浮電磁鐵端部，它們受電磁鐵溫升的影響明顯。因此，需要提高傳感器的抗溫度漂移能力以抑制溫度漂移，進(jìn)而提高信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。

3 兩種傳感器各自的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 懸浮間隙傳感器的關(guān)鍵技術(shù)

在懸浮氣隙波動(dòng)的同時(shí)，齒槽效應(yīng)使得傳感器輸出含有周期性的擾動(dòng)信號(hào)，如圖6所示。懸浮控制系統(tǒng)無(wú)法區(qū)分該擾動(dòng)是齒槽效應(yīng)引起的，還是正常調(diào)整懸浮氣隙時(shí)引發(fā)的，這極易導(dǎo)致該系統(tǒng)發(fā)生振蕩。因此，懸浮間隙傳感器研制的一個(gè)重點(diǎn)就是要弱化齒槽效應(yīng)。由于傳感器需要兼顧對(duì)齒槽形狀不敏感而對(duì)其間隙變化敏感，因此采用信號(hào)處理的方法很難達(dá)到理想效果，須通過(guò)優(yōu)化檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)的手段來(lái)解決。目前，較為有效的方法是將矩形線圈結(jié)構(gòu)改造為立體線圈結(jié)構(gòu)［5］。如圖7所示，AD為1個(gè)齒槽的長(zhǎng)度，AA0與DD0折起時(shí)抑制邊端磁場(chǎng)變化，AD與A0D0中間折起時(shí)抑制中部磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，進(jìn)而使得檢測(cè)線圈通過(guò)齒槽時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度值在齒槽寬度方向基本保持恒定。由此可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)，齒槽效應(yīng)的抑制可取得良好效果。

圖6 懸浮間隙傳感器測(cè)量示意圖Fig.6 Measurement schematic of levitation gap sensor

圖7 立體線圈結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of three dimensional coil

對(duì)懸浮間隙傳感器而言，通過(guò)優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)及抗溫度漂移等技術(shù)，其測(cè)量精度可達(dá)到0.4 mm;當(dāng)懸浮間隙傳感器在20～85℃時(shí)，其全量程溫度漂移可控制在1%左右［6］。

3.2 相對(duì)定位傳感器的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 強(qiáng)化齒槽效應(yīng)

由于齒槽效應(yīng)的影響，相對(duì)定位傳感器輸出的波動(dòng)信號(hào)帶有齒槽數(shù)目信息，通過(guò)齒槽計(jì)數(shù)法可獲得列車相對(duì)位置，如圖8所示。因此，相對(duì)定位傳感器必須對(duì)齒槽效應(yīng)敏感。目前，針對(duì)該問(wèn)題較好的解決手段是優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)。本文介紹一種如圖9所示的“8”字型線圈結(jié)構(gòu)［7］:設(shè)線圈寬度W為1個(gè)齒槽寬度;傳感器在使用時(shí)通常設(shè)置2組差分線圈，每組由2個(gè)“8”字線圈組成。通過(guò)這種“8”字結(jié)構(gòu)與差分結(jié)構(gòu)的綜合使用，可極大地提高檢測(cè)線圈的靈敏度，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)快速定位等功能。

圖8 相對(duì)定位傳感器測(cè)量示意圖Fig.8 Measurement schematic of relative positioning sensor

圖9 “8”字型線圈示意圖Fig.9 Schematic of 8-shaped coil

3.2.2 車輛懸浮波動(dòng)處理

相對(duì)定位傳感器的檢測(cè)是在懸浮間隙恒定的前提下進(jìn)行，但車輛運(yùn)行時(shí)懸浮間隙總會(huì)存在一定幅度的波動(dòng)。因而，必須消除懸浮波動(dòng)的影響。針對(duì)該問(wèn)題，目前較為可行的是間隙量綱一化法，即:將不同間隙下的位置信息量綱一化至某一標(biāo)準(zhǔn)間隙下，建立該標(biāo)準(zhǔn)間隙下的位置表格，相對(duì)定位傳感器在運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)懸浮間隙并利用查表法獲取當(dāng)前位置信息。

3.2.3 通過(guò)軌道接縫處理

高速磁浮軌道相鄰軌道梁間存在著較大的接縫。當(dāng)相對(duì)定位傳感器經(jīng)過(guò)接縫時(shí)，其檢測(cè)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變。如果不采取措施，畸變信號(hào)將導(dǎo)致?tīng)恳O(shè)備過(guò)流或過(guò)壓，甚至燒毀。針對(duì)該問(wèn)題，目前定位測(cè)速系統(tǒng)在PRW(磁極相角處理單元)中采用的是自適應(yīng)濾波及傳感器冗余配置的方法，更簡(jiǎn)易、高效的處理方法尚待提出。

針對(duì)相對(duì)定位傳感器而言，重點(diǎn)是要保證其定位的精度。目前，通過(guò)感應(yīng)齒槽來(lái)獲取相對(duì)定位傳感器的位置可達(dá)到4 mm的位置測(cè)量精度［7］。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段懸浮間隙傳感器和相對(duì)定位傳感器技術(shù)已達(dá)到國(guó)產(chǎn)高速磁浮車輛的應(yīng)用要求，未來(lái)研究應(yīng)側(cè)重于如下問(wèn)題:

1)傳感器的互換性問(wèn)題。每輛車上布置128只間隙傳感器，以提升傳感器的互換性。

2)多線圈結(jié)構(gòu)之間的磁場(chǎng)耦合問(wèn)題。檢測(cè)探頭中布置的多個(gè)線圈存在磁場(chǎng)耦合，須解決線圈耦合問(wèn)題以改進(jìn)傳感器的性能。

3)簡(jiǎn)化算法和硬件結(jié)構(gòu)，以降低成本。特別是在設(shè)計(jì)相對(duì)定位傳感器時(shí)，還需提出更有效的方法來(lái)解決周期預(yù)測(cè)法在靜止及低速運(yùn)行時(shí)檢測(cè)誤差較大的問(wèn)題。