阅读说明：本技术 中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法及补偿系统 (The compensation method and compensation system of medium-and low-speed maglev train levitation gap ) 是由 陈启发 佟来生 姜宏伟 罗京 张文跃 朱琳 汤彪 周源 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法及补偿系统,涉及磁浮列车悬浮控制技术领域。所述补偿方法,先在落浮状态下,根据实测空气间隙和悬浮间隙传感器测量的间隙数据来获取悬浮间隙传感器间隙偏差补偿值；然后在悬浮状态下,根据悬浮点的实测悬浮间隙和设定的额定悬浮间隙来获取悬浮间隙偏差补偿值；在列车运行时,根据偏差补偿值对实时间隙信号进行补偿运算,既消除了因机械误差、安装误差和测量误差导致的悬浮间隙传感器的间隙偏差,又消除了因结构误差导致的实测悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的偏差,提高了参与悬浮控制计算的悬浮间隙值的精确度,避免了悬浮控制器误判断而导致的列车悬浮失稳和砸轨等风险。(The invention discloses the compensation methodes and compensation system of a kind of medium-and low-speed maglev train levitation gap, are related to magnetic floating train suspending control technology field.The compensation method obtains levitation gap sensor gap deviation offset according to the gap data of actual measurement the air gap and levitation gap sensor measurement first in the case where falling floating state；Then under suspended state, levitation gap bias compensation value is obtained according to the actual measurement levitation gap for the point that suspends and the specified levitation gap of setting；In train operation, operation is compensated to real-time gap signal according to bias compensation value, both the gap deviation of levitation gap sensor caused by having eliminated because of machine error, installation error and measurement error, the deviation between levitation gap and specified levitation gap is surveyed eliminate because of structural failure again caused by, the accuracy for improving the levitation gap value that control calculates of participating in suspending, avoids train suspension unstability caused by suspension controller erroneous judgement and pounds the risks such as rail.)

中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法及补偿系统

技术领域

本发明属于磁浮列车悬浮控制技术领域，尤其涉及一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法及补偿系统。

背景技术

中低速磁浮列车是一种依靠电磁力实现无接触悬浮的车辆系统，它依靠悬浮间隙传感器提供的悬浮电磁铁与轨道之间的间隙信号给悬浮控制器，悬浮控制器根据间隙信号调节悬浮电磁铁的电流，以实现车辆悬浮间隙的调整和控制。

悬浮间隙传感器安装在悬浮电磁铁极板的端部，由于受悬浮电磁铁极板、安装块及悬浮间隙传感器机械误差以及安装方法的影响，悬浮间隙传感器安装后三路间隙探头会存在偏差，且车辆起浮后，由于受现场环境及车辆因素影响，实际的悬浮间隙与额定悬浮间隙也会存在偏差，这些偏差可能会造成悬浮控制器误判断，从而使车辆悬浮失稳，产生掉点、砸轨等风险。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法及补偿系统，在落浮状态下，通过悬浮点的实测空气间隙来补偿悬浮间隙传感器因机械误差和安装方式导致的偏差，在悬浮状态下，通过悬浮点的实测悬浮间隙来补偿实际悬浮间隙和额定悬浮间隙之间的偏差，从而提高参与悬浮控制运算的悬浮间隙值的精确度，避免悬浮控制器误判断而导致的列车悬浮失稳、掉点和砸轨等风险。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：列车处于落浮状态下，获取悬浮点的实测空气间隙以及悬浮间隙传感器检测到的间隙数据，根据所述实测空气间隙和间隙数据计算得到悬浮间隙传感器的间隙偏差补偿值；

步骤2：列车处于静态稳定悬浮状态下，获取悬浮点的实测悬浮间隙，根据额定悬浮间隙和所述实测悬浮间隙计算得到悬浮间隙偏差补偿值；

步骤3：列车运行时，根据所述步骤1的间隙偏差补偿值和所述步骤2的悬浮间隙偏差补偿值对悬浮间隙传感器检测到的实时间隙信号进行补偿运算，得到用于悬浮控制运算的悬浮间隙值。

本发明所述的悬浮间隙补偿方法，先在落浮状态下获取悬浮点的实测空气间隙和悬浮间隙传感器采集的间隙数据，根据实测空气间隙和间隙数据来获取悬浮间隙传感器的间隙偏差补偿值；然后在悬浮状态下，根据悬浮点的实测悬浮间隙和设定的额定悬浮间隙来获取悬浮间隙偏差补偿值；在列车运行时，根据间隙偏差补偿值和悬浮间隙偏差补偿值对悬浮间隙传感器采集的实时间隙信号进行补偿运算而得到用于悬浮控制运算的悬浮间隙值，最后根据该悬浮间隙值进行悬浮控制运算，悬浮控制运算的结果用以调节悬浮电磁铁的电流，实现对列车的稳定悬浮控制，该方法既消除了因机械误差和安装误差导致的悬浮间隙传感器的间隙偏差，又消除了因结构误差导致的实测悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的偏差，提高了参与悬浮控制计算的悬浮间隙值的精确度，避免了悬浮控制器误判断而导致的列车悬浮失稳和掉点砸轨等风险，保证了列车安全稳定的运行。

进一步地，所述步骤1中，实测空气间隙为落浮状态下，电磁铁内、外极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，所述间隙偏差补偿值的计算表达式为：

S_i补＝S_s落-S_i落

S_s落＝α_落S_外落+β_落S_内落

其中，S_i补为悬浮间隙传感器第i路间隙检测探头的间隙偏差补偿值，S_i落为落浮状态下第i路间隙检测探头检测到的间隙数据，S_s落为落浮状态下间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，S_外落为落浮状态下电磁铁外极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，S_内落为落浮状态下电磁铁内极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，α_落、β_落均为偏差系数，且α_落+β_落＝1。

由于悬浮间隙传感器探头面有环氧树脂，无法通过直接测量悬浮间隙传感器间隙检测探头与F轨检测面之间的垂向距离来确定实际的间隙。在设计时，理论上悬浮点的实测空气间隙等同于间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，但由于受列车结构的影响，测量的S_外落、S_内落与间隙检测探头和F轨检测面之间的实际垂向距离存在偏差，因此，需要将S_外落、S_内落转换成S_s落，以消除列车每个悬浮点机械误差和结构误差导致的实际垂向距离存在的偏差。同时，间隙偏差补偿值还能够消除悬浮间隙传感器的测量误差。

进一步地，所述偏差系数α_落和β_落是根据每个悬浮点的S_外落、S_内落、悬浮间隙传感器间隙检测探头面环氧树脂厚度、以及悬浮间隙传感器间隙检测探头上表面与F轨检测面的垂向距离来确定的，且α_落和β_落的取值范围均为0.4～0.6。

进一步地，所述步骤2中，实测悬浮间隙为稳定悬浮状态下电磁铁内、外极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，所述悬浮间隙偏差补偿值的计算表达式为：

S_补＝S_S浮-S_额

S_S浮＝α_浮S_外浮+β_浮S_内浮

其中，S_补为悬浮间隙偏差补偿值，S_额为额定悬浮间隙，S_S浮为稳定悬浮状态下间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，S_外浮为稳定悬浮状态下电磁铁外极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，S_内浮为稳定悬浮状态下电磁铁内极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，α_浮、β_浮均为偏差系数，且α_浮+β_浮＝1。

通过悬浮间隙偏差补偿值可以消除因结构误差导致的实测悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的偏差，提高了列车的稳定性。

进一步地，所述偏差系数α_浮和β_浮是根据每个悬浮点的S_外浮、S_内浮、悬浮间隙传感器间隙检测探头面环氧树脂厚度、以及悬浮间隙传感器间隙检测探头上表面与F轨检测面的垂向距离来确定的，且α_浮和β_浮的取值范围均为0.4～0.6。

进一步地，所述步骤3中，用于悬浮控制运算的悬浮间隙值的计算表达式为：

S_控＝S_运+S_补

其中，S_控为用于悬浮控制运算的悬浮间隙值，S_补为悬浮间隙偏差补偿值，S_运为补偿后的实时间隙信号S_i实补经运算得到的间隙值，S_i实补＝S_i实+S_i补，S_i实为悬浮间隙传感器第i路间隙检测探头检测到的实时间隙信号，S_i补为悬浮间隙传感器第i路间隙检测探头的间隙偏差补偿值。

进一步地，所述悬浮间隙传感器至少包括三路间隙检测探头。

相应的，一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿系统，用于实现全车所有悬浮点的间隙补偿，每个悬浮点的间隙偏差补偿值和悬浮间隙偏差补偿值均存储在数据存储单元中，每个所述悬浮点包括：

实测间隙采集模块，用于在落浮状态下测量悬浮点的实测空气间隙，以及稳定悬浮状态下测量悬浮点的实测悬浮间隙；

悬浮间隙传感器，用于在落浮状态下采集间隙检测探头与F轨之间的间隙数据，以及在列车运行时采集间隙检测探头与F轨之间的实时间隙信号；

偏差补偿计算模块，用于根据所述实测空气间隙和所述间隙数据计算得到悬浮间隙传感器的间隙偏差补偿值，以及根据所述实测悬浮间隙和额定悬浮间隙计算得到悬浮间隙偏差补偿值；

悬浮控制器，用于根据所述间隙偏差补偿值、悬浮间隙偏差补偿值对实时间隙信号进行补偿运算得到用于悬浮控制运算的悬浮间隙值，以及根据所述悬浮间隙值输出电流；

悬浮电磁铁模块，用于根据悬浮控制器输出的电流值输出相应的电磁力，以实现列车的稳定悬浮。

相应的，一种中低速磁浮列车，包括所述悬浮间隙的补偿系统。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿方法，先在落浮状态下，根据实测空气间隙和悬浮间隙传感器测量的间隙数据来获取悬浮间隙传感器间隙偏差补偿值；然后在悬浮状态下，根据悬浮点的实测悬浮间隙和设定的额定悬浮间隙来获取悬浮间隙偏差补偿值；在列车运行时，根据间隙偏差补偿值和悬浮间隙偏差补偿值对悬浮间隙传感器采集的实时间隙信号进行补偿运算以调节悬浮电磁铁的电流，实现对列车的稳定悬浮控制，该方法既消除了因机械误差、安装误差和测量误差导致的悬浮间隙传感器的间隙偏差，又消除了因结构误差导致的实测悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的偏差，提高了参与悬浮控制计算的悬浮间隙值的精确度，避免了悬浮控制器误判断而导致的列车悬浮失稳和砸轨等风险，保证了列车安全稳定的运行。

本发明提供的一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿系统，包括多个悬浮点，每个所述悬浮点包括实测间隙采集模块、悬浮间隙传感器、偏差补偿计算模块、悬浮控制器以及悬浮电磁铁模块，偏差补偿计算模块将计算得到的间隙偏差补偿值、悬浮间隙偏差补偿值存储在数据存储单元中，悬浮控制器再根据间隙偏差补偿值、悬浮间隙偏差补偿值对实时间隙信号进行补偿运算以实现对列车的悬浮控制；间隙偏差补偿值、悬浮间隙偏差补偿值均存储在数据存储单元中，可通过车载控制软件自动和手动下载至相应悬浮点的悬浮控制器内部存储器中，即使更换悬浮控制器，也可快速实现对全车所有悬浮点的间隙补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中补偿方法的流程图；

图2是本发明实施例中列车间隙测量示意图；

图3是本发明实施例中列车三路间隙测量示意图；

其中，1-F轨，2-悬浮间隙传感器，3-电磁铁极板，4-安装块(悬浮间隙传感器与电磁铁极板之间的过渡块)，5-第一固定螺钉(固定安装块与电磁铁极板)，6-电磁铁外极板上表面与F轨之间的垂向距离S_外，7-电磁铁内极板上表面与F轨之间的垂向距离S_内，8-悬浮间隙传感器检测到的间隙数据S₁、S₂、S₃，9-电磁铁，10-第一路间隙检测探头，11-第二路间隙检测探头，12-第三路间隙检测探头，13-F轨的检测面，14-第二固定螺钉(固定悬浮间隙传感器与安装块)。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿系统为单点控制系统，整个列车共用一个数据存储单元，每节车由20个悬浮点组成，每个悬浮点包括1台悬浮控制器、1台悬浮间隙传感器、半段悬浮电磁铁模块、实测间隙采集模块以及偏差补偿计算模块，每台悬浮间隙传感器包括三路间隙检测探头，每个悬浮点间隙的补偿方法如下：

1、将列车移至标准轨，所有间隙测量需在标准轨道上进行，标准轨机械误差可忽略，补偿后间隙偏差控制在±0.5mm范围内。

2、在落浮状态下，获取悬浮间隙传感器三路间隙检测探头检测到的间隙数据S_1落、S_2落、S_3落。

如图2和3所示，悬浮间隙传感器位于F轨下面，三路间隙检测探头通过电涡流效应测量探头与F轨检测面之间的垂向距离S_1落、S_2落、S_3落。悬浮间隙传感器三路间隙检测探头上面均浇注2-3mm厚的环氧树脂，用于保护间隙探头，该环氧树脂不影响悬浮间隙传感器的间隙检测性能。

3、采用实测间隙采集模块测量落浮状态下悬浮点的实测空气间隙。

实测间隙采集模块为专门的测量设备或工具，例如不含磁性的游标卡尺。由于悬浮间隙传感器探头面有环氧树脂，无法通过直接测量悬浮间隙传感器三路间隙检测探头与F轨检测面之间的垂向距离来确定探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，以确定探头的测量误差。在设计时，悬浮点的实测空气间隙是指落浮状态下电磁铁内、外极板上表面与F轨之间的垂向距离，理论上悬浮点的实测空气间隙等同于间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，但由于机械结构误差、安装块不平整以及固定螺钉的扭力的影响，导致测量的S_外落、S_内落与间隙检测探头和F轨检测面之间的实际垂向距离存在偏差，因此，需要将S_外落、S_内落转换成S_s落，以消除列车每个悬浮点结构误差和机械误差导致的实际垂向距离存在的偏差。S_s落为落浮状态下间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，S_外落为落浮状态下电磁铁外极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，S_内落为落浮状态下电磁铁内极板上表面与F轨之间的测量垂向距离。

4、计算落浮状态下间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离S_s落：

S_s落＝α_落S_外落+β_落S_内落 (1)

其中，α_落、β_落均为偏差系数，且α_落+β_落＝1，由于每个悬浮点的机械误差存在偏差，因此，偏差系数α_落和β_落需要根据每个悬浮点的S_外落、S_内落、悬浮间隙传感器间隙检测探头面环氧树脂厚度、以及悬浮间隙传感器间隙检测探头上表面与F轨检测面的垂向距离来确定，且α_落和β_落的取值范围均为0.4～0.6。

5、计算三路间隙偏差补偿值：

S_1补＝S_s落-S_1落 (2)

S_2补＝S_s落-S_2落 (3)

S_3补＝S_s落-S_3落 (4)

将三路间隙偏差补偿值S_1补、S_2补、S_3补存储到数据存储单元中，由式(1)可知，消除了因机械误差和结构误差导致的实际垂向距离存在的偏差，由式(2)～(3)可知，消除了悬浮间隙传感器的测量误差。

6、列车起浮并保持静态稳定悬浮状态。

7、采用实测间隙采集模块测量稳定悬浮状态下悬浮点的实测悬浮间隙。

8、同理，计算稳定悬浮状态下间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离S_s落：

S_S浮＝α_浮S_外浮+β_浮S_内浮 (5)

其中，S_S浮为稳定悬浮状态下间隙检测探头与F轨检测面之间的实际垂向距离，S_外浮为稳定悬浮状态下电磁铁外极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，S_内浮为稳定悬浮状态下电磁铁内极板上表面与F轨之间的测量垂向距离，α_浮、β_浮均为偏差系数，且α_浮+β_浮＝1，由于每个悬浮点的机械误差存在偏差，因此，偏差系数α_落和β_落需要根据每个悬浮点的S_外浮、S_内浮、悬浮间隙传感器间隙检测探头面环氧树脂厚度、以及悬浮间隙传感器间隙检测探头上表面与F轨检测面的垂向距离来确定，且α_浮和β_浮的取值范围均为0.4～0.6。

9、计算实测悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的悬浮间隙偏差补偿值：

S_补＝S_S浮-S_额 (6)

其中，S_补为悬浮间隙偏差补偿值，S_额为额定悬浮间隙。将悬浮间隙偏差补偿值S_补存储到数据存储单元中，由式(5)可知，消除了因机械误差和结构误差导致的实际垂向距离存在的偏差，由式(6)可知，消除了实测悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的偏差。额定悬浮间隙是指悬浮控制算法预期控制的目标间隙。

10、在列车正常运行时，悬浮间隙传感器检测到实时间隙信号，悬浮控制器根据三路间隙偏差补偿值、悬浮间隙偏差补偿值对实时间隙信号进行补偿运算得到用于悬浮控制运算的悬浮间隙值。

先对三路实时间隙信号进行补偿：

S_1实补＝S_1实+S_1补 (7)

S_2实补＝S_2实+S_2补 (8)

S_3实补＝S_3实+S_3补 (9)

其中，S_1实、S_2实、S_3实分别为三路间隙检测探头检测到的实时间隙信号，S_1实补、S_2实补、S_3实补分别为补偿后的三路实时间隙信号，对补偿后的三路实时间隙信号S_1实补、S_2实补、S_3实补进行运算得到进行悬浮控制运算的间隙值S_运，再对间隙值S_运进行补偿计算得到最终参与悬浮控制运算的悬浮间隙值S_控，S_控＝S_运+S_补。

悬浮控制器根据悬浮间隙值输出电流，悬浮电磁铁根据该电流值获得对应的悬浮力，以控制列车的稳定悬浮，达到额定悬浮间隙，消除了实际悬浮间隙与额定悬浮间隙之间的偏差。

对应的，一种中低速磁浮列车悬浮间隙的补偿系统，用于实现全车所有悬浮点的间隙补偿，每个悬浮点的间隙偏差补偿值和悬浮间隙偏差补偿值均存储在数据存储单元中，每个悬浮点包括：

实测间隙采集模块，用于在落浮状态下测量悬浮点的实测空气间隙，以及稳定悬浮状态下测量悬浮点的实测悬浮间隙；

悬浮间隙传感器，用于在落浮状态下采集间隙检测探头与F轨之间的间隙数据，以及在列车运行时采集间隙检测探头与F轨之间的实时间隙信号；

偏差补偿计算模块，用于根据所述实测空气间隙和所述间隙数据计算得到悬浮间隙传感器的间隙偏差补偿值，以及根据所述实测悬浮间隙和额定悬浮间隙计算得到悬浮间隙偏差补偿值；

悬浮控制器，用于根据所述间隙偏差补偿值、悬浮间隙偏差补偿值对实时间隙信号进行补偿运算得到用于悬浮控制运算的悬浮间隙值，以及根据所述悬浮间隙值输出电流；

悬浮电磁铁模块，用于根据悬浮控制器输出的电流值输出相应的电磁力，以实现列车的稳定悬浮。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。