数字单周期电流控制在电磁悬浮系统中的应用

在串级控制的电磁悬浮系统中,电流环的响应速度和精度对整个悬浮控制起着至关重要的作用. 为了加快悬浮系统电流环的响应速度以及减小跟随误差,基于TMS320F28335设计了EMS （electromagnetic suspension system）的数字单周期控制（digital one-cycle control,D-OCC）电流控制器. 以悬浮斩波器为研究对象,建立起D-OCC的数学模型,对额定悬浮工作点处斩波器电流的D-OCC算法进行了详细推导;通过Simulink平台对算法进行仿真验证,并将D-OCC的电流环投入到实际悬浮系统中进行悬浮实验. 实验结果表明:对频率为5 Hz,幅值为3 A的方波信号进行跟随时,传统PID控制在方波上升沿和下降沿均存在一定的超调,且稳定后存在不小于20 mA的跟随误差,D-OCC在调节过程中不存在超调,且稳定后没有跟随误差,说明D-OCC算法能够实现对指令电流快速、准确跟随;采用电流环D-OCC的悬浮系统起浮过程需要约0.4 s的调整时间,并且悬浮稳定后可以克服50%荷载扰动和1.5 mm气隙扰动,说明该方法可以实现系统稳定悬浮,且具有较强的鲁棒性能.      

基于2FSK的ICPT系统高速信号传输方法

针对感应耦合电能传输(ICPT)系统信号传输存在信号幅值衰减和较强电磁干扰的问题,基于2FSK调制解调方式,提出了一种新型的高速信号传输方法.该方法在不增加系统主电路能量耦合线圈以及不影响主电路正常工作的前提下,实现了高速信号传输.分析了不同结构下主电路信道的阻抗和频域响应特性,确定了调制解调方法及其实现方案,并搭建了系统实验平台,在2.5和1.7 MHz的载波频率下,有效实现了100 kHz脉冲信号的传输.仿真与实验结果验证了所提出的高速信号传输方法的可行性.      

基于OrCAD的可控硅开关功放的仿真研究

介绍了一种特殊的大功率可控硅开关功率放大器,分析了其电路在不同工作频率下的3种工作状态,并就自然换流状态建立了其等效电路模型,基于OrCAD环境下设计了低阻高效的循环模拟开关,并利用它仿真了自然换流状态下的等效电路模型,这种仿真方法能计算出功率放大器在任意点的电流电压值.且仿真数据能较真实地反映系统在任何时刻的工作状况.     

高速磁浮悬浮架柔性特征对曲线通过性能的影响

为研究高速磁浮悬浮架小曲线通过动力学性能,考虑高速磁浮悬浮架柔性振动,建立悬浮架有限元模型,并计算其弹性模态,建立高速磁浮整车车辆动力学模型;应用同济大学磁浮试验线线路条件、试验速度曲线及拟合的轨道不平顺,分析了悬浮架柔性振动对悬浮、导向电磁铁间隙、电磁力的影响;同时,建立了刚性悬浮架动力学模型与之对比. 研究结果表明:R400小曲线通过时,电磁铁动力学性能受悬浮架柔性振动的影响较大,两种模型的导向力相差约12.5 kN,悬浮力相差约6.0 kN;通过试验仿真比较,考虑悬浮架柔性的计算结果更接近于实测结果;悬浮架垂向和横向振动的主频分别为10.4 Hz和13.2 Hz,分别与前后悬浮框相对点头、反相摇头模态频率相近;在研究控制参数优化、悬挂参数优化、运行稳定性等高速磁浮关键问题时应考虑悬浮架的柔性振动.      

基于误差交叉耦合的多电磁铁悬浮系统滑模协同控制

针对磁浮列车传统的单点悬浮控制方法没有考虑多电磁铁间的协调同步问题,将多电磁铁的跟踪误差交叉耦合来设计高精度的协同控制方法,在减少了多点悬浮系统的跟踪误差和同步误差的同时,提高了系统抗干扰能力. 首先,通过动力学分析了考虑未知扰动的4个电磁铁（2个控制模块）悬浮系统的动力学特征;其次,针对系统中的未知扰动,引入干扰观测器来估计扰动并进行扰动补偿;然后,考虑到相邻电磁铁控制模块之间存在耦合动力学特性,设计一种误差交叉耦合的滑模协同控制器;最后,在不作任何线性化处理的前提下,证明了闭环系统的渐近稳定性. 研究结果表明:通过多电磁铁的悬浮架实验证明所提方法可以考虑补偿电磁铁模块之间的协调关系,抑制扰动的影响,减小间隙跟踪误差达40%,显著减少了电磁铁之间的耦合扰动作用.      

基于SHEPWM的多模式调制切换算法

为了抑制切换过程电流和转矩冲击，提出了一种基于特定次谐波消除脉宽调制（SHEPWM）的多模式调制平滑切换算法. 根据SHEPWM算法的基本原理分析了相电压波形谐波分布情况；基于异步电机等效电路模型得到不同开关角个数下各次电流谐波幅值和调制度的关系；将切换过程抽象为电流基波及各次谐波的一阶暂态响应过程，建立了切换过程的数学模型，从电路原理的角度分析了切换冲击的产生机理；基于RT-LAB半实物实验平台对两种切换算法进行了硬件在环半实物试验对比. 研究结果表明:谐波幅值突变是造成转矩冲击的原因，在相电压基波相位π/2和3π/2处切换谐波电流幅值不发生变化，相电流可以平滑过渡；三相无法同时满足相位为π/2或3π/2的条件，因此分别在相电压基波相位π/2和3π/2处切换，切换过程电流和转矩冲击得到有效抑制.      

牵引型碳基超级电容器双RC模型参数的试验测定

电化学超级电容器的仿真建模与性能参数测定是其工程应用中的一个重要方面.分析了牵引型碳基超级电容器的双RC等效电路模型及其参数的试验测定方法,并以名义静电容量为0.5 MF的超级电容器为例,通过大电流充放电循环试验,测定了等效模型的电路参数,验证了超级电容器双RC等效电路模型作为仿真模型的有效性.     

新型Halbach阵列永磁电动悬浮系统垂向稳定性

针对永磁电动悬浮系统的垂向动态稳定性问题, 研究了永磁电动悬浮系统的临界稳定特性; 提出了一种永磁铁加常导线圈混合构成的新型Halbach阵列, 通过在永磁体表面缠绕有源常导线圈, 实现了永磁电动悬浮系统阻尼的主动控制, 并对比了新型Halbach阵列与其他2种主动电磁阻尼控制方案; 建立了新型Halbach阵列永磁电动悬浮系统垂向动力学模型, 并采用经典PID闭环控制方法设计了悬浮控制器, 分别在无外界干扰、外界扰动力干扰和轨道不平顺干扰3种情况下仿真分析了该系统的垂向动态稳定性。研究结果表明: 永磁电动悬浮系统在扰动力作用下将进行等幅震荡而不能稳定悬浮, 连续扰动力干扰下甚至可能撞轨; 提出的新型Halbach阵列具有磁场耦合计算方便、力调节范围大的优点; 设计的悬浮控制器能使系统稳定悬浮于额定气隙0.03 m的平衡位置, 且线圈电流为0, 不产生损耗, 仿真分析所得系统悬浮气隙和线圈电流与理论分析结果的相对误差小于0.01%;当出现轨道不平顺干扰时, 系统能快速稳定悬浮于额定气隙0.03 m的平衡位置, 稳定后的线圈电流仍为0, 实现了永磁电动悬浮系统的零功率平衡; 当外界扰动力为±1 500 N时, 系统能快速稳定悬浮于额定气隙0.03 m的平衡位置, 稳定后的线圈电流分别为29.68和-30.40 A, 表明新型Halbach阵列永磁电动悬浮系统能够实现垂向动态稳定。      

Hoefs标定下GM跟驰模型仿真分析

通过对GM模型发展过程的分析与阐述,引入Hoefs标定的GM跟驰模型的参数组合,应用Madab构建仿真环境,以车头间距为研究对象,拟定试验情景,分别对Hoefs标定在不同运行状态下的参数组合进行了仿真,分析了不同参数组合下跟驰队列车头间距的变化情况.结果表明：在加速跟驰、无刹车减速跟驰和刹车减速跟驰状态下,跟驰队列的波动均呈现一定程度的衰减,但波动幅值和频率的衰减依次增大,且跟驰队列车头间距波动幅值的衰减程度随着参数的增大而减小;在加速跟驰状态下,跟驰车辆的三维相图呈螺旋轨迹,其余状态下呈无规则波动.     

电磁型高速磁浮列车直线发电机电动势计算

为解决高速电磁型高速磁浮车辆供电问题，推导了直线发电机线圈自感及互感位置函数．用有限元法计算有关参数，并通过模拟列车运行情况下直线发电机线圈、长定子同步电动机绕组和悬浮电磁铁励磁线圈的工作状况分析所得数据，推导出各位置函数的表达式和直线发电机电动势通式．当列车速度为100和150km/h时，计算值与实验结果相比误差小于7％．     

磁浮列车静悬浮车轨耦合振动对比分析

为研究二系悬挂中置与端置的两种三悬浮架低速磁浮列车的车轨耦合振动特性，依据牛顿第二定律建立了其垂向车轨耦合动力学模型. 首先通过动力学方程分别分析了两种磁浮列车车体和悬浮架之间的耦合关系，然后研究了两种磁浮列车悬浮架均存在0.09° 的初始角位移时的动力学特性，最后研究了两种磁浮列车中二系悬挂对悬浮架作功的差异. 研究结果表明:与二系悬挂端置的磁浮列车相比，二系悬挂中置的磁浮列车，车体与悬浮架之间的耦合关系更少；当两种磁浮列车悬浮架均存在0.09° 的初始角位移时，采用二系悬挂中置的磁浮列车与采用二系悬挂端置的磁浮列车相比，前者具有更小的车体位移、车体垂向振动加速度、轨道梁振动位移和悬浮间隙波动；以上4个参数前者最大值分别为0.005 mm、0.004 m/s2、0.004 mm和0.005 mm；而后者最大值分别为0.023 mm、0.02 m/s2、0.021 mm和0.02 mm；与二系悬挂端置的磁浮列车相比，二系悬挂中置的磁浮列车，其二系空气弹簧对悬浮架作功更小，仅为前者的50%.      

轨道随机不平顺下磁浮车辆非线性动力学特性

基于柔性轨道研究了随机不平顺下磁浮车辆的动力学特性, 在将轨道受力分解为分段链式结构的基础上, 提出了一种磁浮车辆垂向悬浮稳定性分析方法, 定义了不同悬浮力作用于各自悬浮点时柔性轨道的振动固有频率和模态矩阵; 建立了轨道分段链式结构的离散形式和轨道结构的运动方程, 采用虚拟激励法将轨道不平顺产生的随机激励转化为系统输入激励, 并将轨道随机高低不平顺作为振动激励源进行车轨振动控制; 在不同反馈控制参数下采用电压反馈双环PID控制器数值仿真车辆的悬浮状态, 并分析了轨道随机不平顺激励下反馈控制参数对磁浮系统稳定性的影响。研究结果表明: 当磁浮车辆速度为50~80 km·h-1, 位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为140 000、50、500时, 车辆可以从起始间隙16 mm快速定位到平衡位置间隙9 mm, 在2.2 s时即可稳定悬浮, 系统的超调量和稳态误差分别为1.50和0.13 mm, 且系统振动频率趋近于0;当位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为15 000、50、400时, 磁浮车辆在轨道随机不平顺作用下的悬浮稳定性变差, 系统在9 s左右逐渐趋于稳定, 但仍旧在平衡位置上下浮动, 且系统振动频率和振动幅值分别为7 Hz和0.5 mm; 当磁浮车辆的速度超出50~80 km·h-1时, 第1组反馈控制参数不再适用, 磁浮系统在1.7 s左右发散, 车辆失稳, 表明在不同车辆速度和反馈控制参数的作用下, 轨道随机不平顺能显著影响磁浮车辆的悬浮稳定性。      

单磁铁悬浮系统自激振动的稳定性分析及抑制

为了研究EMS型磁浮列车起浮后与轨道相互耦合发生的自激振动对车辆安全性、舒适性造成的影响,建立了单磁铁悬浮系统的车体-悬浮架-轨道的动力学模型.分析了车-轨系统的稳定性及悬浮控制器和系统各主要参数对振动的影响,提出了系统各参数和稳定性关系的表达式,讨论了运用瞬时最优控制算法抑制车-轨自激振动的具体方法.数值仿真了在3组不同系统参数条件下瞬时最优控制对于自激振动的抑制效果.研究结果表明:车辆结构、悬浮控制器、轨道各主要参数在车-轨自激振动中相互影响;当仿真系统起浮10 s时,悬浮气隙振幅分别减少了59%、62%、5%,轨道振幅分别减少48%、94%、73%,表明了控制方法的有效性.      

感应数据传输及其在磁悬浮列车通信系统中的应用

采用矩量法计算了两个不等长不平等导线在任意位置耦合的电流分布、自阻抗和互阻抗。利用等效二端口网络求出了导线上的感应电压,分析了耦合强度随距离的变化情况,并指出这种耦合方式可以用于磁悬浮列车数据传输。     

中低速磁浮车辆研究综述

基于电磁悬浮型中低速磁浮列车的工作原理,阐述了中低速磁浮各核心子系统(悬浮导向系统、牵引电机、走行机构、制动系统、轨道-桥梁结构等)的技术特征,综合分析了各子系统存在的技术问题和解决方案;梳理了日本Linimo列车、韩国EcoBee列车、长沙磁浮快线、北京磁浮S1线和西南交通大学自主研发的(悬挂)中置式磁浮列车的发展历程及技术特点,总结了中低速磁浮列车的技术重点和难点。研究结果表明:车-轨耦合振动应综合考虑悬浮控制、车辆结构参数、桥梁结构参数、空气动力效应、直线电机等因素的影响,建立完备的车-轨耦合振动研究模型;悬浮冗余匮乏可综合利用机械冗余和电气冗余的技术特点,对中低速磁浮的冗余设计方案进行改进;磁浮靴轨受流应与地铁靴轨受流区分,充分考虑磁浮列车的耦合作用特性,探索无缝供电轨技术在中低速磁浮中的工程实用性;悬浮控制由于控制器主频较低,程序运行周期过长,应提高控制算法和悬浮系统故障诊断技术的精确性和稳定性;车辆轻量化设计应在保证结构强度的基础上,综合考虑车体、走行机构等多因素的结构特点,以提高中低速磁浮列车运载能力;应综合不同磁浮线路要求,建立统一的线路标准,提高中低速磁浮工程化应用能力。      

磁浮列车车辆轨道耦合振动及悬挂参数研究

基于磁浮列车车辆轨道耦合振动模型,建立了动力学方程,利用编制的仿真程序对车辆轨道的耦合振动进行仿真分析,对于悬挂参数特别是模块侧滚约束参数的影响进行定量研究,确定了悬挂参数的取值范围,并据此对青城山磁浮试验车的悬挂参数设计提出了建议。     

逆变器驱动电机系统中共模耦合电流的研究

在电机驱动系统中，共模电压将会在电机内部的共模耦合回路中产生共模耦合电流，共模耦合电流将对系统构成共模干扰，并影响电机的使用寿命，因此对共模耦合电流的研究显得非常重要．文中分析了三相逆变器驱动电机系统中的共模激励源，发现共模响应只与系统的零序阻抗和共模阻抗有关，可以用等效的集总参数模型来模拟系统的共模耦合．在对电机内部的共模回路进行分析计算的基础上，得出了地电流及电机轴承电流的集总参数电路模型和参数确定方法，仿真和实验结果显示，该模型能对逆变器驱动电机系统中的地电流和轴承电流进行有效的预测。