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滤波算法研究磁悬浮列车的速度和位置检测
作者
春晖戴、龙志强、谢云德、宋雪
机电工程与自动化学院
摘要
本文简要介绍了永久磁铁的牵引系统电动悬架(EDS)火车。基于长时间和跟踪电缆的同步牵引模式，速度和位置检测系统推荐。它被安装于火车上用作于终端反馈。永磁电动悬架(EDS)火车使用非接触式方法来检测它的位置，这一点被磁悬浮列车的结构所限制。因为震动和跟踪关节，所以由位置传感器发送的位置信号总是异常和嘈杂。为了解决这个问题，一个线性离散跟踪-微分器过滤算法就产生了。这个跟踪微分器的过滤字符和跟踪微分器集团被分析考虑了。TD的四个系列用于信号处理单元。结果表明,跟踪微分器可以有一个良好的效果,使牵引系统正常运行。
关键字
永磁电动悬浮列车 位置传感器 速度和位置检测 跟踪-微分器
过滤字符
- 介绍
永磁电动悬架(EDS)列车用直线电机实现牵引[1]，它的电流互感器被放置在地上，线性同步电动机的长(初级)定子放轨道的中间。永磁牵引安装在车辆底部并且面向着长定子，如下图1所示。这种牵引模式具有较高的功率因数和效率高的特点,使其达到高加速度和速度。这个长定子线圈可产生行波磁场，为了使行波磁场与永磁体产生的磁场同步，牵引系统需要检测二次的位置，只有这样，才能对电流进行调制才能控制输出力。二次定位的检测是非常重要的，错误检测将不仅使车辆运行异常，也会导致相关设备[2-4]严重损害。
图1：长定子和轨道结构
一种永磁EDS列车同步牵引系统包括速度和位置检测系统、无线电设备、地面牵引系统和牵引功率模块，正如图2所示，在同步牵引系统中，有2种方法来检测电机的二次定位。一种方法是检测反电动势，另一种方法是由位置传感器实现，前者称为无速度传感器。当列车在一个非常低的速度运行，由于弱的反电动势和强的噪声，无速度传感器的方法不能很好地工作。在慢运行期间，列车的位置由传感器确定。这种方法也应用于电动旋转电机。电动旋转电机采用光电编码器、旋转变压器或感应旋转传感器来检测位置或速度。感应式旋转传感器的特点是：检测探头与速度齿轮之间的距离是非接触和不变的。但相同的使用在永磁EDS列车上有其自身的特殊问题。位置传感器是一种车载设备。它的检测间隙随随悬浮间隙的变化而变化。此外，它所面临的栈长定子没有连续导体表面，因为
长期跟踪定子与不同尺寸的接头拼接。传感器也容易受到各种磁场的种类的影响，包括磁场和悬浮磁场。这些问题与电动旋转电机的速度检测不一样，因此本文主要讲述检查传感器的信号处理，特别是处理错误信号。
图2同步牵引系统的组成
- 速度和基于长定子位置测量原理
对于磁悬浮列车，速度和位置检测系统是必要的和至关重要的[ 5 ]，包括检测列车的速度和位置的任务。操作控制系统也还需要利用它来实现集中控制。为了使速度和位置检测系统安全可靠，需要一个方便结构[6,7]，如图3所示。
图3速度和位置检测系统的结构
该位置传感器的检测对象是长定子，这是作为列车的牵引。这个长定子由硅钢板组成。它有肺泡结构如图3所示。这个传感器的检测线圈面对着这个肺泡结构。当传感器沿长定子移动，它可以区分的齿和槽。通过计算通过的肺泡，列车位置就被检测到[8,9]。一般来说，位置传感器具有三个功能：
- 肺泡计数：位置传感器计数通过肺泡结构，然后将结果发送给信号处理单元。
- 相位检测：检测精度只能达到一个牙槽结构的长度，难以满足牵引系统的要求，所以需要对位置传感器进行细分。零度至六十度之间的相位信号代表一个肺泡结构的长度。
- 判断方向：方向信号不仅是传感器的肺泡计数的基础，也是信号处理单元判断列车的方向的前提条件。
信号处理单元是速度和位置检测系统的核心部件。每个系统都有一个信号处理单元，用于接收和处理传感器数据。信号处理单元将数据处理结果发送给牵引系统中的协议。在一定程度上，它是牵引系统和各种传感器之间的桥梁，一般情况下，信号处理单元具有以下主要功能：
- 接收传感器的位置信号、速度信号和方向信号；
- 根据牵引系统的要求来进行数据过滤和信息融合；
- 与协议处理单元的通信，处理的位置和方向数据被发送到牵引系统的协议处理单元。
信号处理单元发送给牵引系统的数据包括以下内容：
- 磁极相（零度至三百六十度）：用于牵引的磁极相位信号，每六十度代表一肺泡结构。它是由肺泡计数信号和相位检测计算。
- 磁性极计数（0至65535）：如图4所示，每一次列车通过六个肺泡结构，磁极计数信号沿某个方向减少一个或增加一个。
图4位置传感器和长定子
- 离散跟踪微分器滤波特性
3.1线性离散跟踪微分器
经典的微分器利用惯性元件与延时跟踪输入信号。它有以下形式[ 5 ]：
(1)
但经典的微分也放大了噪声，所以另一个近似的形式总是用：
(2)
其中，信号U（t-1）和U（t-2）从惯性元件得到的。可以减少噪声的放大效应。然后是微分器的传递函数：
(3)
如果时滞参数1和2等于omega;，公式（3）可以变成下面的表达式:
(4)
它可以被离散化为一二阶状态方程：
(5)
公式（5）是线性跟踪微分器的离散形式。变量x1（k 1）跟踪输入信号u（k），参数是阻尼因子和omega;是速度因素。较大的omega;取值，可以更好的使X1（K 1）近似U（k）。然后X2（K 1）是你的近似值（K）。然而，线性跟踪微分器的噪声免疫力是很有限的。为了抑制噪声和快速跟踪输入信号，本文采用一种新的非线性跟踪微分器滤波处理输入信号，跟踪微分器采用不同于汉字[ 10 ]。然后在切换曲线附近的返回零策略被提出[ 11 ]。
3.2、基于非线性跟踪微分器滤波
首先，我们考虑的问题是一个二阶连续时间系统：
（6）
初始状态x（t0）= x0和容许控制域Ule;R。问题是，如何找到时间最优控制使系统性能指标达到最小值。这里存在一个最优控制策略。它可以使任意点的相位在最短的时间内到达原点，这一战略被称为“砰”的控制。所有的控制开关点组成开关曲线.
根据最优控制理论，最优控制问题的最优解如下：
(7)
如果x（t）是取代X1（t）minus;V（t），然后切换曲线如下：
（8）
这样得到了连续时间跟踪微分器：
（9）
如果任意点M（X10，X20）不在开关曲线上，被用于表示M点在到达开关曲线所用的时间，则计算如下：
（10）
如果任意点M（X10，X20）在开关曲线，用于表示M的时间（X10，X20）花到原点。计算如下:
（11）
为了获得最快的控制功能，采用步长不变的策略。本文提出了非线性跟踪微分器的离散形式：
（12）
，
式中的R是速度因素。它决定跟踪时间。h是采样周期。一个合适的过滤效果更好。如果h太大，后续信号的相位可能会发生错误。除非另有说明，否则本文选择一毫秒为采样周期。 是阻尼系数， 是滤波因子。这个非线性函数（）的规则如下：
(1)当 M( x1( k), x2( k))没有达到开关曲线，同时 ge;h，它有如下的表达：
（13）
(2)当 M( x1( k), x2( k))没有达到开关曲线，同时 ，它有如下的表达：
（14）
(3) 当 M( x1( k), x2( k))没有达到开关曲线，同时 ，它有如下的表达：
(15)
(4)当 M( x1( k), x2( k))没有达到开关曲线，同时 ，它有如下的表达:
(16)
在一般情况下，快速的功能有形式为：速度，这只需要一些替代工作的四个规则。
另一方面，这种跟踪微分器可以快速跟踪输入信号，并能产生良好的差分信号。然而，差分信号是不使用在本文中。另一方面，输出信号的幅度几乎没有衰减，其时间延迟小。由于时间延迟和信号频率之间的信号的幅度和线性关系衰减小，真正的价值可以从混有噪声的信号中有效分离，因此跟踪微分器有能力作为一个有效的过滤器[ 11-13 ]。有关证明可以在[ 13 ]。
3.3、基于跟踪微分器组信号滤波器
随着单跟踪微分器的越来越快，输出信号是一种基于滤波系数C0，阻尼系数C1，速度因子R和时滞因素tau;的一种功能。跟踪微分器的输出信号具有时间延迟。解决这种问题的方案是调节相关参数，但跟踪误差将增加。跟踪微分器组是一种方法来缓解这一矛盾和时间延迟。它如图5所示。轨道微分滤波器称为TD为了简短。
图5跟踪微分器和跟踪微分器组之间的比较
被跟踪的信号 V(t)，跟踪误差是xi;（T），它是由过滤系统和输入信号引起的。考虑跟踪误差和时间延迟，TD的输出如下：
（17）
考虑到系统的一个TD，泰勒展开的V(t minus;tau;)为：
（18）
在TD序列长度是M的情况下，输出是输入的必要。跟踪微分器组输入信号经过一系列的TD（一个很好的滤波效果），将得到输出。因此，跟踪微分器组可以克服一个TD弱滤波的缺点，同时跟踪误差被认为接近零，但是相位补偿又成为了一个重要的的问题。一个TD可能带来tau;的时间延迟，然后一段TD M系列可能导致tau;的M倍延迟。需要一些相位补偿。
首先，跟踪微分器组的投入产出模型如下：
（19）
如公式（19），泰勒展开的V(t minus;tau;)为：
（20）
如果m= 4，高阶项被省略，它有以下形式：
（21）
为了更简便一点，时间延迟tau;参数从系数矩阵中抽出，然后矩阵方程有如下形式：
（22）
得到的是相对的每一个相关TD的输出，其系数矩阵倒置如下：
（23）
从矩阵方程（23），得到近似的输入信号V（t），它也作为跟踪微分器组的输出：
（24）
考虑大多数情况下，相位补偿的跟踪信号如下：
（25）
当变量m被赋予不同的值时，的系数会有差异。从理论上讲，随着赋值的增加，所需的计算将是相当大的。在实际使用中，跟踪微分器的顺序的选择应根据系统的要求和计算能力。
表1的系数
4、位置和速度检测系统的信号处理
4.1、传感器的异常信号的描述
在理论上，相位检测的信号在零度到六十度之间的方向上增加或减少。在正向运行条件下，作为相位检测信号从六十度到零的变化，肺泡计数信号增加了一。在落后的情况下，由于相位检测信号从零度变化到六十，肺泡计数信号逐渐减少。但在实际电路处理中，通过同步解调得到的正弦波信号被发送到不同的后处理电路，从而相位信号和肺泡计数信号的变化不同步。如果信号处理单元简单地集成了边缘，将有一个突变如图6所示。幅度约为六十度。
图6基于异向的磁极相同步
随着位置传感器沿长定子移动，其线圈的电感也会发生改变。总之，位置传感器可以检测到不同金属电感的变化。同时在列车底部安装位置传感器，其检测间隙随悬挂高度的变化而变化。波动间隙可能也会使
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