高速磁浮列车绝对定位传感器的工程化设计与实现.pdf

第 3 5卷第 8期 2 0 1 3年 8月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI LWAY S 0CI ETY Vo1 3 5 NO 8 Au gus t 2 O1 3 文 章 编 号 ： 1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 4 8 1 0 高速磁浮列车绝对定位传感器的工程化设计与实现 薛 松 ，龙志强 ( 1 后勤工程学院 军 事供油 工程系 ，重 庆4 0 1 3 1 1 ；2 国防科技 大学 磁浮技术工程研究 中心 ，湖南 长沙4 1 0 0 7 3 ) 摘 要 ： 本 文对 电磁悬 浮型常导 高速磁 浮列 车绝对定 位传 感器 进行工程化设计研究 。建立传感器 的解 析电磁学 模型 ， 并采用有 限元仿真 分析标 志板 的屏蔽 特性 ， 从而为线 圈设计及 传感器工 作频率 的选择 提供依 据。在此基 础上 ， 针对传感器 的读码准确率 、 实时性和鲁 棒性 问题 ， 对信号调 理 电路 的动 态特 性及参 数选 择进 行分 析与设 计 ， 并基 于有 限状态机设计传感器 的读码算 法。试验 表明本文所设 计的传感 器稳定 可靠 ， 可保证样 车试 验 的长 期顺利进行 。该传感器同样适用于 中低速磁浮列车 ， 对于轮轨列车定位也有一定 的参考价值 。 关键词 ：磁浮列车 ；绝对定位传感器 ；解析电磁学模型 ；有限元分析 ；信号调理 ；有限状态机 中图分类号 ： TP 2 1 2 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 O 0 1 - 8 3 6 0 2 0 1 3 0 8 0 0 8 Eng i ne e r i ng De s i g n o f Ab s o l u t e Po s i t i o ni ng S e n s o r f o r M a g l e v Tr a i n XUE So ng LONG Zhi q i a ng 。 ( 1 Lo g i s t i c a l En g i n e e r i n g U n i v e r s it y o f PLA ，M i l i t a r y Pe t r o l e u m S u pp l y Eng i n e e r i n g De p a r t m e nt ， Cho n gq i n g 4 0 1 3 1 1 ， Ch i n a ； 2 En g i ne e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f M a g l e v Te c h n ol o g y ，Na t i o na l Un i v e r s i t y o f De f e n s e Te c h n o l o gy ，Ch a n g s h a 4 1 0 0 7 3 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e e n g i n e e r i n g d e s i g n o f a b s o l u t e p o s i t i o n i n g s e n s o r f o r a k i n d o f n o r ma l c o n d u c t i o n h i g h s p e e d ma g l e v t r a i n wi t h t he e l e c t r oma gn e t i c s us pe n s i on ( EM S)s y s t e m wa s s t ud i e d Th e a n a l yt i c a l e l e c t r oma gn e t i c m o d e 1 o f t he s e ns or wa s e s t a bl i s he da nd t he e l e c t r o m a g ne t i c s hi e l d i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f t he m a r k pl a t e we r e a ria l y z e d wi t h t h e f i ni t e e l e m e n t m e t ho d t o g ui de t he c oi l s t r u c t u r e de s i g n a nd t r a ns m i t t i ng f r e q ue nc y s e l e c t i o n On t h e b a s i s o f t hi s，i n o r d e r t o e nh a nc e t he c o de r e a di n g a c c u r a c y，r e s po ns e s p e e d a nd s t a bi l i t y o f t he s e n s o r ，t he d yn a m i c c ha r a c t e r i s t i c s a nd pa r a me t e r s o f t he s i gn a l p r o c e s s i ng c i r c u i t we r e a n a l y z e d a nd d e s i g ne d The c od e r e a di n g a l g or i t hm wa s d e s i gn e d o n t he ba s i s o f t he f i ni t e s t a t e ma c hi ne The v a l i d i t y o f t he d e s i gn e d s e ns or i s p r o v e d t h r o u g h l o n g t e r m t e s t i n g r u na n d t h i s t e c h n i q u e i s a l s o a p p l i c a b l e t o mi d d l e & l o w s p e e d s ma g l e v t r a i n s a n d po s i t i o ni n g o f whe e l r a i l s y s t e m s Ke y wo r ds ： m a gl e v t r a i n；a bs o l ut e po s i t i o ni n g s e ns o r；a n a l yt i c a l e l e c t r om a gn e t i c mo de l ；f i ni t e e l e m e n t a na l y s i s ；s i gn a l pr o c e s s i ng；f i ni t e s t a t e ma c hi ne 电磁 悬 浮型 常导 高速磁 浮列 车采 用直线 同步牵 引 方 式驱 动l 1 。为达 到理想 的牵引效 率 ， 牵引 系统 需要 精 确 的列车 位置 信息 ， 用 以控 制 初 级绕 组 的行 波 磁 场 与次级磁场同步 。由于磁浮列车与轨道无接触运行 ， 其定位与测速问题体现出与轮轨系统_ 3 不同的要求 。 目前 ， 无接触测速定位方法主要有交叉感应 回线 、 泄漏 电缆、 长定子齿槽检测和查询应答器等 5 。其中基于 长定子齿槽检测的方法是针对常导高速磁浮列车长定 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 - 0 2 ： 修 回日期 ： 2 0 1 2 - 0 4 1 0 第一作者 ： 薛松( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 重庆万卅 人 ， 博 士。 E ma i l ： s o n g s e l t 1 2 6 c o rn 通讯作者 ： 龙志强( 1 9 6 7 一) ， 男 ， 江西吉安人 ， 教授 ， 博 士。 E ma i l ： z h q l o n g 2 6 3 n e t 子轨道的特殊结构专门设计 的， 具有毫米级 的定位精 度。但是齿槽检测传感器只能给出相对于开机时刻位 置的相对定位信息， 且列车运行过程中存在较多 的干 扰和不确定因素 ， 相对定位信息可能出现误差 ， 因此在 轨道上分布有绝对定位标志板。列车上的绝对定位传 感器在经过绝对定位标志板时， 读取位置 编码 即可得 到当前列车的绝对位置信息， 同时清除相对定位误差 ， 如 图 1所示 。 文献E 7 1 4 1 对常导 高速磁浮列 车的绝对定位 技 术进行 了研究 ， 但 都主要 针对原 理 和基本 功能 。磁 浮列车在高速运 行 中， 绝对定 位 传感器 的读码 时问 第 8期 高速磁浮列车绝对定 位传感器的工程化设计与实现 2 2标 志板 的屏 蔽特 性分 析 金属箔片的屏蔽效率 S E定义如下 SE A + R+ B (7 ) 式中 ： A为电磁波在介质 中传输时衰减 的吸收损耗 ； R 为电磁波在介质两个界面处 的反射损耗 ； B为重反射 增益 。在平面波 电磁场 中的计算公式 为_ J f A一2 0 1 g ( e ) 8 6 8 6 ( Z O ) l 1 9 n l R一2 0 1 g =1 6 8 1 o l g 厂 4 3 6 9 1 0 - 7 I B= = = 2 0 1 g l 1 一e “ J ) U l f 2 0 1 g 1 +e - 6 ， 一2 e I 。 a 7 l C O S( 3 0 厂 z ) (8 ) 式中： z 为材料厚度 ； 厂为磁场频率 ； 一2 为趋肤 深度 ； l 、 为材料的磁导率和 电导率 。低 频磁场屏蔽 利用高磁导率的材料构成低磁 阻通路 ， 使大部分磁场 被集 中在屏蔽体 内。屏蔽体的磁导率越高、 厚度越大 ， 磁阻 越小 ， 磁 场屏 蔽 的效 果 越 好 。高频 磁 场 的屏 蔽 是 利用高电导率材料产生涡流 的反 向磁场来抵消干扰磁 场而实现的l_ 1 。 。铜 的 电导率 较大 ， 价格便宜 ， 因此 定位 标 志板 采用 铜作 为屏 蔽 材料 。 以某对定位线圈为例建立有限元模型， 分析标志板 的屏蔽特性。取电磁波频率为 f =2 MHz ( 对应趋肤深度 为 4 6 m ) ， 敷铜厚度分别为 2 5 g m 、 5 0 m 、 7 5 m 、 2 3 0 m 。分析结果如图 8 所示 ， 横坐标表示线圈 Y方向的宽 度 ， 纵坐标表示 经过 定位 标志 板屏 蔽之 后接 收线 圈对 应 位置上 的磁感应强 度大小 。可见铜厚 为 2 5 t m 时的屏蔽 效果 最好 ， 因为此 时屏蔽 材料 很 薄 ， 小 于趋肤 深度 ， 有 较 大涡 流效应 。铜厚 为 2 3 0 t L m ( 约为 5倍趋肤深 度) 时 ， 屏 蔽效果次之 ， 此时趋肤效应起主要作用。但是不同材料 厚度 的屏蔽 效果差 别 不大 ， 实 际 中考虑 到成本 及 制造工 艺的限制 ， 敷铜厚度取 7 5 m 。 图 8不 I司屏 蔽层 厚 度 的屏 蔽 效 果 比 较 图 9为定位标志板覆铜厚度为 7 5 t m、 工作频率 厂 分别为 0 5 MHz、 2 MHz 、 5 MHz 时 ， 采用有限元分析 模型仿真得到的屏蔽效果示意图。 由图 9 可知， 增大发射频率可以提高屏蔽效率， 有利 于提高定位和读码准确度 。但是频率过高会给芯片的选 型及处理电路的设计带来困难。由图 9 可以看出工作频 率 厂为 5 MHz 与 2 MHz 相比， 其屏蔽效果并没有很大改 图 9 不同发射频率对屏蔽效果 的影响分析 善。因此综合考虑 ， 传感器工作频率取 1 3 MH z 。 3绝对定 位传 感器的工程化设计需求分析 绝 对定 位传 感器 在实 际运行 中主要存 在 以下工 程 技 术 问题 ： 问题 1 实 时性 ：