??? 摘? 要: 交叉感應回線測速定位的原理；為了彌補由單個線圈組成的車載線圈在磁懸浮列車惡劣的電磁環境中抗干擾不足的問題,提出了由兩個交叉線圈組成車載線圈的設計方案。?

??? 關鍵詞: 交叉感應回線?? 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、環保等諸多優點。為了充分實現上述優點,列車必須具有超速保護、自動聯鎖和閉塞等功能。這樣,速度和位置就是兩個必不可少的參量。?

??? 由于磁懸浮列車是無輪子的,運行時車與軌道不接觸,列車的測速定位與傳統的輪軌鐵路測速不同。一般說來,實現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,惡劣的天氣對其性能影響較大,因此對復雜地形適應能力不強,而且它的設備復雜、成本高;第二種方法在我校的試驗線上已經應用,但它存在一些問題,如精度受軌間距是否相等的影響、轉彎處誤差大等。日本、德國等國家采用了不同的方案來實現列車的測速定位,而我國在這方面的研究相對來說較少。本文主要針對磁懸浮列車惡劣的電磁環境,在交叉感應回線的基礎上,提出了由兩個線圈組成車載線圈的設計方案。?

1 設計的基本原理?

??? 交叉感應回線是使用電纜按一定間隔繞制成一個環路敷設于軌道上而形成的。圖1為交叉感應回線和位置脈沖圖。其中,虛線和實線中的電流方向相反,大小相同。它在相鄰回路的感應電勢相反,當其通入交流電流時,就沿著軌道形成變化的磁場。根據法拉第電磁感應定律可知感應電勢與磁通成正比。由于磁通與磁場穿過線圈的有效面積成正比,當車載線圈與環路有重疊時,車載線圈中產生感應電勢,因此重疊的有效面積越大感應電勢就越高。車載線圈處于交叉感應回線回路的正上方時,產生的感應電壓最大,而位于相鄰回路的交叉部分時,其感應電壓為零,所以列車連續移動時,車載線圈輸出的電壓經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:交叉感應回線及其激磁源與車載線圈及處理電路。激磁源是一個交流電流源,為感應回線提供交流信號,然后由感應回線發送出去；車載線圈感應接收感應回線發送的信號,然后由處理電路轉化成數字信號送單片機處理、傳送、顯示。其原理框圖見圖2。?

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2 系統抗干擾的實現及其數學推導?

??? 大量實驗表明,在比較理想的環境中采用單個線圈組成的車載線圈可以得到正確結果,同時也驗證了該原理的正確性。但是在現場實驗中卻出現了一些問題,其中最重要的是噪聲把信號全部淹沒,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、牽引直線電機以及別的一些電磁設備;其特點是:強度高、頻譜寬、可通過車載線圈感應調制進入系統。為了解決干擾所帶來的問題,提出了回線交叉、由兩個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?

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

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其中,l表示拉氏變換,l^-1表示拉氏逆變換。?

??? 為了表達上式,在此定義一個算子G(x(t),ω)。當ω等于某個常數時,G對于x(t)是一個線性算子,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ω穿過車載線圈的磁通與輸出電勢的關系。?

2.2 交叉感應回線?

??? 交叉感應回線的回路可以繞制成不同的形狀,如矩形、圓形等。其形狀對整個系統性能影響不大,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回線的回路的大小相同,兩線圈相隔也為30cm。當交叉感應回線中通入一直流時,產生的磁場強度在空間上是變化的。但在某一高度時,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定高度。當車載線圈以穩定高度進入該磁場區域時,穿過它的有效磁通與其進入該區域的面積成正比。穩定高度與交叉感應回線的回路大小有關,見表1。?

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??? 下面結合交叉感應回線(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線圈和兩個交叉相連線圈的情況。圖3為車載線圈中兩個線圈的相對位置關系。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回線的穩定高度為H。?

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??? 假設當車載線圈在回路的正上方時,穿過它的磁通為φ,另外還假設外界雜散磁場產生的磁通為φ₀(除交叉感應回線產生的磁場以外的)。設A(x)為車載線圈x處的相應磁通與在交叉感應回路正上方的磁通之比,從前面的分析知道,電磁場(包絡)的變化關系可近似看成一三態方波(-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,在半個周期里成梯形。?

??? 單個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)。這一點在實驗中已得到驗證。?

??? 由兩個相連線圈組成的車載線圈輸出為:?

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

3 測速定位的實現?

3.1 測頻測速法?

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

3.2 分段計數定位?

??? 對于單組車載線圈,所得的方波信號的電平變化一次,車前進30cm。由于線路太長,就得把其分成多段,假設每段長為L。如果段計數器的值為m,電平變化計數器的值為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展,需要實現列車的速度反饋控制、超速保護、自動聯鎖和閉塞等功能,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,該技術在鋼鐵行業、焦化行業等領域也有廣闊的應用前景。?

參考文獻?

1 Ono M.Sakuma,Y.Adachi H. Train Control Characterixtic?and the Function of the Position Detecting System at Yamanashi Maglev Test Line.15th Conference On Magnetically?Levitated Systems,Berlin, 1998?

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. 磁懸浮列車運行信號監測系統.電子技術應用,2000；26(10):25～26?