[发明专利]一种用于调节电磁吸力悬浮系统电磁铁稳态电流及纹波的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及中低速磁浮列车电磁吸力悬浮系统的悬浮斩波器电流及纹波的控制方案。 

背景技术

在磁悬浮列车等电磁吸力悬浮系统（以下简称悬浮系统）中，往往通过检测悬浮气隙的大小来计算需要的电磁铁电流，需要的电磁铁电流通过功率放大单元实现，放大的电磁铁电流提供保证悬浮系统稳定的电磁力。其中，电磁铁电流的实现在小功率的情况下采用线性放大电源，电磁铁电流输出中不含有纹波。而在大功率环节采用开关电路实现，由于开关电路工作在开关状态，电磁铁不断的处于充电和放电状态。实际的电磁铁电流在稳态时，除了期望的稳态电流还参杂有充放电过程中引起的纹波电流。 

当悬浮系统处于某些静态的情况下，电流纹波可以视为系统的一种扰动。在目前的电流控制中，并不对纹波进行控制和检测，其在稳态电流下的纹波，有时具有很强的规律性，如比较固定的频率或者周期性，有时具有比较大的随机性，但其频带分布也相对比较集中。纹波扰动逐步累积能量，尤其是当纹波的频带与系统某些部分频率接近或者存在某些关系时，可能会激起悬浮系统中某些部分产生振动，进而引起系统共振。如在某些情况下，轨道系统刚度比较小时，纹波产生的扰动力与轨道系统共同作用，可能会产生车轨共振的严重问题。 

在这种情况下如果根据悬浮系统的需要，对纹波进行调节，破坏纹波扰动存在的规律性；或者在悬浮控制系统中，对纹波进行反馈控制，使纹波产生的系统扰动在悬浮系统中是闭环的；或者对单点悬浮系统的纹波进行调节控制，使多点之间的扰动相互抵消，这样都可以有效的避免纹波对系统造成的不良影响。这些方法都需要悬浮斩波器，不仅对稳态电流进行控制，还需要对纹波电流进行调节；也就是说在采用开关电路产生电磁铁电流的悬浮控制系统中，不仅对悬浮稳态电流进行控制，也对纹波电流进行调节，以避免纹波产生的扰动对系统产生影响。那么，悬浮系统对于电流环节的控制量不仅有稳态电流的要求还有纹波电流的要求，即电流控制环节不仅要对稳态电流进行控制，也要对纹波电流进行调节。 

在实际中，大功率电流环采用的开关电路为悬浮斩波电路，其基本结构与H型斩波电路结构相似，它有两个桥臂，由于悬浮系统中电磁铁电流单向流动，所以每一个桥臂采用一个开关管与一个二极管串联的结构，而不采用两个开关管串联的结构。每个桥臂两端连接输入电压，开关管与二极管连接处称为输出端，连接电磁铁。在两个桥臂中一个桥臂开关管在上二极管在下，称为上桥臂；另一个桥臂开关管在下二极管在上，称为下桥臂。 

悬浮斩波电路具有三种工作状态：当两个开关管全部开通，即两个桥臂全部开通时，电磁铁处于正电平状态，其承受正向输入电压，电流处于最大上升率阶段，电流增加；当只有一个开关管开通，即只有一个桥臂开通时，电磁铁处于零电平状态，电流处于自然续流状态，电路减小；当两个开关管全部关断，也就是没有桥臂开通时，电磁铁处于负电平状态，其承受负向输入电压，电流处于最大下降率阶段，电流减小。 

对悬浮斩波电路工作原理进行分析。假设T1和T3开关周期为T，占空比分别为d₁和d₂；U_i为输入电压，i_o为输出电流，I₀为输出稳态电流分量，Δi为输出纹波分量，电流电磁铁电感为L，电阻为R。 

通过如下表1，我们可以看到在每一开关周期内，可能存在正、零和负三种电平。 

表1斩波器工作状态（其中1代表开通，0代表关断）