??? 摘? 要: 交叉感應(yīng)回線測速定位的原理；為了彌補(bǔ)由單個(gè)線圈組成的車載線圈在磁懸浮列車惡劣的電磁環(huán)境中抗干擾不足的問題,提出了由兩個(gè)交叉線圈組成車載線圈的設(shè)計(jì)方案。?

??? 關(guān)鍵詞: 交叉感應(yīng)回線?? 測速? 定位

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??? 磁懸浮列車是新一代交通工具,具有速度快、安全性高、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了充分實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn),列車必須具有超速保護(hù)、自動(dòng)聯(lián)鎖和閉塞等功能。這樣,速度和位置就是兩個(gè)必不可少的參量。?

??? 由于磁懸浮列車是無輪子的,運(yùn)行時(shí)車與軌道不接觸,列車的測速定位與傳統(tǒng)的輪軌鐵路測速不同。一般說來,實(shí)現(xiàn)磁懸浮列車的測速定位大致有三種方法:(1)微波定位測速；(2)接近傳感器定位測速；(3)交叉感應(yīng)回線定位測速。第一種方法由于微波傳播受到多徑傳播干擾,惡劣的天氣對(duì)其性能影響較大,因此對(duì)復(fù)雜地形適應(yīng)能力不強(qiáng),而且它的設(shè)備復(fù)雜、成本高;第二種方法在我校的試驗(yàn)線上已經(jīng)應(yīng)用,但它存在一些問題,如精度受軌間距是否相等的影響、轉(zhuǎn)彎處誤差大等。日本、德國等國家采用了不同的方案來實(shí)現(xiàn)列車的測速定位,而我國在這方面的研究相對(duì)來說較少。本文主要針對(duì)磁懸浮列車惡劣的電磁環(huán)境,在交叉感應(yīng)回線的基礎(chǔ)上,提出了由兩個(gè)線圈組成車載線圈的設(shè)計(jì)方案。?

1 設(shè)計(jì)的基本原理?

??? 交叉感應(yīng)回線是使用電纜按一定間隔繞制成一個(gè)環(huán)路敷設(shè)于軌道上而形成的。圖1為交叉感應(yīng)回線和位置脈沖圖。其中,虛線和實(shí)線中的電流方向相反,大小相同。它在相鄰回路的感應(yīng)電勢相反,當(dāng)其通入交流電流時(shí),就沿著軌道形成變化的磁場。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知感應(yīng)電勢與磁通成正比。由于磁通與磁場穿過線圈的有效面積成正比,當(dāng)車載線圈與環(huán)路有重疊時(shí),車載線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢,因此重疊的有效面積越大感應(yīng)電勢就越高。車載線圈處于交叉感應(yīng)回線回路的正上方時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最大,而位于相鄰回路的交叉部分時(shí),其感應(yīng)電壓為零,所以列車連續(xù)移動(dòng)時(shí),車載線圈輸出的電壓經(jīng)濾波整形后就形成位置脈沖,提供位置信息。把位置的變化量與所用時(shí)間相比就可以得到速度。?

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??? 整套裝置包括兩部分:交叉感應(yīng)回線及其激磁源與車載線圈及處理電路。激磁源是一個(gè)交流電流源,為感應(yīng)回線提供交流信號(hào),然后由感應(yīng)回線發(fā)送出去；車載線圈感應(yīng)接收感應(yīng)回線發(fā)送的信號(hào),然后由處理電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)處理、傳送、顯示。其原理框圖見圖2。?

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2 系統(tǒng)抗干擾的實(shí)現(xiàn)及其數(shù)學(xué)推導(dǎo)?

??? 大量實(shí)驗(yàn)表明,在比較理想的環(huán)境中采用單個(gè)線圈組成的車載線圈可以得到正確結(jié)果,同時(shí)也驗(yàn)證了該原理的正確性。但是在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)了一些問題,其中最重要的是噪聲把信號(hào)全部淹沒,根本得不到有用的位置脈沖。噪聲主要來源有:懸浮控制器、電磁鐵、牽引直線電機(jī)以及別的一些電磁設(shè)備;其特點(diǎn)是:強(qiáng)度高、頻譜寬、可通過車載線圈感應(yīng)調(diào)制進(jìn)入系統(tǒng)。為了解決干擾所帶來的問題,提出了回線交叉、由兩個(gè)交叉線圈取代單線圈以組成車載線圈的方案。?

2.1 車載線圈?

??? 車載線圈由兩個(gè)線圈交叉相連組成,這兩個(gè)線圈位于同一平面內(nèi),相隔一定距離,該距離由交叉感應(yīng)回線的情況確定。車載線圈與后面一些電路組成諧振接收回路。根據(jù)電磁感應(yīng)定律得車載線圈中某一線圈的感應(yīng)電勢為:?

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其中,l表示拉氏變換,l^-1表示拉氏逆變換。?

??? 為了表達(dá)上式,在此定義一個(gè)算子G(x(t),ω)。當(dāng)ω等于某個(gè)常數(shù)時(shí),G對(duì)于x(t)是一個(gè)線性算子,則有:G(x+y,ω)=G(x,ω)+G(y,ω),G(kx,ω)=kG(x,ω)。在本文中,該算子表示在諧振頻率點(diǎn)ω穿過車載線圈的磁通與輸出電勢的關(guān)系。?

2.2 交叉感應(yīng)回線?

??? 交叉感應(yīng)回線的回路可以繞制成不同的形狀,如矩形、圓形等。其形狀對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能影響不大,為了方便,采用矩形。相鄰回路間隔30cm,回路寬為10cm,長為30cm;車載線圈的大小與感應(yīng)回線的回路的大小相同,兩線圈相隔也為30cm。當(dāng)交叉感應(yīng)回線中通入一直流時(shí),產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度在空間上是變化的。但在某一高度時(shí),回路正上方的磁場基本相等,近似于恒定磁場,因此把這一高度稱為穩(wěn)定高度。當(dāng)車載線圈以穩(wěn)定高度進(jìn)入該磁場區(qū)域時(shí),穿過它的有效磁通與其進(jìn)入該區(qū)域的面積成正比。穩(wěn)定高度與交叉感應(yīng)回線的回路大小有關(guān),見表1。?

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??? 下面結(jié)合交叉感應(yīng)回線(以相鄰兩回路間隔與回路大小相同為例)比較車載線圈分別為單個(gè)線圈和兩個(gè)交叉相連線圈的情況。圖3為車載線圈中兩個(gè)線圈的相對(duì)位置關(guān)系。車載線圈的長為回路的1/3,寬與回路相等;車載線圈距離交叉感應(yīng)回線的穩(wěn)定高度為H。?

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??? 假設(shè)當(dāng)車載線圈在回路的正上方時(shí),穿過它的磁通為φ,另外還假設(shè)外界雜散磁場產(chǎn)生的磁通為φ₀(除交叉感應(yīng)回線產(chǎn)生的磁場以外的)。設(shè)A(x)為車載線圈x處的相應(yīng)磁通與在交叉感應(yīng)回路正上方的磁通之比,從前面的分析知道,電磁場(包絡(luò))的變化關(guān)系可近似看成一三態(tài)方波(-1,0,1)所以有:?

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??? A(x)=A(x+1.2)?

??? 可見A(x)是周期函數(shù),在半個(gè)周期里成梯形。?

??? 單個(gè)線圈組成的車載線圈輸出為:?

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??? 其中,ω為諧振回路的中心頻率。?

??? 從(1)式可以看出,G(φ,ω)與G(φ₀,ω)載波頻率一樣,同為諧振頻率,所以在帶通濾波器中無法濾掉噪聲G(φ₀)。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中已得到驗(yàn)證。?

??? 由兩個(gè)相連線圈組成的車載線圈輸出為:?

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??? 從(2)式看得出,從兩個(gè)線圈中輸出的信號(hào)完全為有用信號(hào),而且該有用信號(hào)為單個(gè)線圈輸出的有用信號(hào)的兩倍。?

3 測速定位的實(shí)現(xiàn)?

3.1 測頻測速法?

??? 把諧振回路輸出的信號(hào)通過濾波、檢波、整形后得到位置脈沖(方波信號(hào))。通過單片機(jī)系統(tǒng)測得方波頻率,然后可得車速v=kω。其中,ω是方波頻率,k為一常數(shù),它與車載線圈的組數(shù)以及交叉感應(yīng)回線有關(guān)。?

3.2 分段計(jì)數(shù)定位?

??? 對(duì)于單組車載線圈,所得的方波信號(hào)的電平變化一次,車前進(jìn)30cm。由于線路太長,就得把其分成多段,假設(shè)每段長為L。如果段計(jì)數(shù)器的值為m,電平變化計(jì)數(shù)器的值為n,則x=m×L+n×0.3(m)。為了提高測量精度,可以用三組車載線圈,它們之間相隔40cm(即相位相差120°),這樣精度可提高3倍。?

??? 隨著磁懸浮列車的發(fā)展,需要實(shí)現(xiàn)列車的速度反饋控制、超速保護(hù)、自動(dòng)聯(lián)鎖和閉塞等功能,而這些功能都是基于精確的測速定位手段的。本文所提出的方案可以滿足上述要求。另外,該技術(shù)在鋼鐵行業(yè)、焦化行業(yè)等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

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2 F.Hashimoto. Train Control System Based on Inductive?Communication line.14th International Conference on Magnetically Levitated Systems, 1995(11): 26～29?

3 龍志強(qiáng). 磁懸浮列車運(yùn)行信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng).電子技術(shù)應(yīng)用,2000；26(10):25～26?