1　引言
　　隨著中國城市化進(jìn)程的加快，交通問題日益成為城市發(fā)展的難題。城市軌道交通的發(fā)展是解決城市交通問題的重要手段。近年，直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)作為一種新型的城市軌道交通系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)正越來越廣泛地得到應(yīng)用，目前直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)已經(jīng)在世界上10個城市(包括剛剛開通的廣州四號線)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用，而且還有多個城市正在規(guī)劃建設(shè)新的直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)。扁平形單邊lim(single-sided linear induction motor，slim)作為直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)中的牽引電機(jī)，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)牽引傳動相比，直線電機(jī)牽引具有地下隧道的斷面小、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著效率和功率因數(shù)低、能耗高的缺點(diǎn)，如何提高其效率成為應(yīng)用中最為關(guān)心的問題。分析表明電機(jī)垂向力與牽引力相互耦合，結(jié)合直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)的工況對二者進(jìn)行合理分配會使效率有較大提高。因此，對直線感應(yīng)電機(jī)的動推力和垂向力動態(tài)性能進(jìn)行測試就顯得至關(guān)重要。

　　直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)是一種小型化的、非黏著驅(qū)動方式的軌道交通系統(tǒng)，隨著廣州地鐵4號線(圖1)和北京奧運(yùn)機(jī)場線先后決定采用直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)以來，直線電機(jī)牽引在國內(nèi)正越來越受到人們的關(guān)注。因此，作為lim的兩個關(guān)鍵特性，推力和垂向力的動態(tài)性能越來越受到研究人員的重視。
　　然而由于slim結(jié)構(gòu)上的特殊性，雖然從事slim動態(tài)性能研究的科研機(jī)構(gòu)也不少，但是關(guān)于這種lim的動態(tài)性能測試成果的相關(guān)文獻(xiàn)并不多見，就作者所能查閱到的資料，目前世界各國對現(xiàn)有的slim動態(tài)性能測試的試驗(yàn)臺一般只能對推力或垂向力分別進(jìn)行測試，而且只能測量直線電機(jī)在靜態(tài)時的垂向力變化。
　　本文以基于磁懸浮原理的lim推力與垂向力測試平臺為研究對象，介紹了其工作原理，并設(shè)計了包括功率變換器、驅(qū)動電路、氣隙和電流傳感器、dsp控制器等主要控制電路。其中，dsp主控單元的設(shè)計采用兩片tms320lf2407a控制芯片，其中一個dsp進(jìn)行懸浮控制，另一個dsp進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動的控制，從而最終完成對直線感應(yīng)電機(jī)推力和垂向力的測試。

圖1　廣州直線電機(jī)地鐵列車

2　基于磁懸浮原理的lim推力與垂向力測試
2.1　構(gòu)想的提出
　　由于lim結(jié)構(gòu)上的特殊性，lim在產(chǎn)生推力的同時，還會在垂直方向上產(chǎn)生垂向力。由圖2可知，lim在工作時并不能發(fā)揮它的最大推力。因?yàn)?，lim在最大牽引點(diǎn)工作時，與之相對應(yīng)定子和感應(yīng)板之間的垂向力會很大。考慮到運(yùn)行阻力、垂向力對電機(jī)支承裝置強(qiáng)度、感應(yīng)板材料選擇、初級與感應(yīng)板之間的氣隙變化等因素，一般把lim的工作點(diǎn)設(shè)在推力不是最大、但垂向力相對較小的位置，如何保證在垂向力對系統(tǒng)的影響較小的情況下發(fā)揮直線電機(jī)的最大推力，是城軌交通界廣泛關(guān)注的問題。因此。在實(shí)際地鐵中的需要根據(jù)slim的動推力和垂向力特性對其進(jìn)行有效控制，使其在最合理的方式下工作，從而使直線電機(jī)地鐵充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

圖2　lim動推力、垂向力與滑差的關(guān)系

　　基于以上原因，筆者提出搭建一個利用磁懸浮原理，完全無接觸的，不僅能測直線電機(jī)動推力，還能測試電機(jī)垂向力的測試平臺。該平臺可以利用電機(jī)的加速度來測試直線電機(jī)的動推力，利用懸浮電磁鐵的電流變化來精確測量直線電機(jī)的垂向力變化。
　　在其他測試方法中，由于初級與支撐板相接觸，在垂直方向上，有初級對支撐板的壓力和slim的垂向力兩個力，從而很難對垂向力進(jìn)行精確測量;在水平方向上，有動推力和摩擦力兩個力，摩擦力還隨著垂直方向上力的變化而變化，給動推力的測量帶來了難度。在本測試平臺中，由于slim的初級處于懸浮狀態(tài)下，避免了動推力、垂向力、摩擦力三者之間的互相影響，從而可精確測量slim的動推力和垂向力的變化。
2.2　測試平臺結(jié)構(gòu)及控制方案
　　基于磁懸浮原理的直線電機(jī)動態(tài)性能測試平臺包括:直線電機(jī)、懸浮磁鐵、傳感器、控制板、驅(qū)動電路、電源、導(dǎo)軌、支架等。該測試平臺中的懸浮系統(tǒng)是一個典型的吸附式的懸浮系統(tǒng)，測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物圖如圖3和圖4所示。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4　裝置實(shí)物圖

　　系統(tǒng)的工作原理為:首先設(shè)定待測的slim氣隙值，將磁懸浮小車調(diào)整到相應(yīng)的位置，然后給由電磁鐵與永久磁鐵組成的混合磁鐵上電，通過dsp來控制圖3中電磁鐵的電流，利用混合懸浮磁鐵的電磁吸引力使整個懸浮小車穩(wěn)定懸浮(即定氣隙懸浮)。然后給圖3中slim初級通電，當(dāng)slim啟動后，會產(chǎn)生一定的垂向力，相當(dāng)于懸浮小車的重量改變，懸浮氣隙有變大或變小的趨勢。系統(tǒng)通過電流傳感器和氣隙傳感器檢測出氣隙值得變化，然后經(jīng)過信號處理電路與濾波電路，再通過dsp控制板的ad信號處理電路把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過在dsp的cpu上計算，來改變dsp程序控制器輸出的pwm脈沖，再經(jīng)過接口、互鎖電路來改變控制電磁鐵電流的斬波器的脈沖寬度即占空比的大小，從而改變通過電磁鐵的電流使懸浮小車在恒定氣隙下穩(wěn)定懸浮。此時電磁鐵的懸浮電流所產(chǎn)成的電磁吸引力變化就是slim垂向力的變化。與此同時，通過安裝在軌道的位置傳感器可以計算出slim的加速度變化，進(jìn)而計算出slim的動推力變化。系統(tǒng)總體控制方案如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)總體控制方案

4　懸浮系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1　四象限斬波器主電路設(shè)計
　　斬波器是懸浮系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)平衡時需要的力由永久磁鐵提供，動態(tài)平衡力由電磁鐵提供，本系統(tǒng)中用斬波器給電磁鐵供電，利用電流跟隨原理來調(diào)節(jié)流過電磁鐵線圈的電流，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。本測試平臺所設(shè)計的四象限斬波器主電路圖如圖6所示，圖7是在電阻負(fù)載通過控制斬波器實(shí)現(xiàn)的pwm控制。

圖6　四象限斬波器主電路原理圖

圖7　斬波器負(fù)載的電壓信號

4.2　四象限斬波器主電路各個參數(shù)的設(shè)計
　　斬波器輸入電壓的確定很重要，若輸入電壓過高，固然能滿足電感電流變化率的要求，但器件耐壓值將提高，則體積和價格將增加很多，若輸入電壓太低，又不能滿足電感電流變化率的要求，所以需要確定合適的斬波器輸入電壓。
　　磁懸浮系統(tǒng)電磁電流振蕩的最佳帶寬為:

，其中:zo為平衡點(diǎn)氣隙，μ為電磁鐵重量與重物重量之和與電磁鐵重量的比值，即

，將本系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)帶入上式，則得電磁鐵的最佳電流角頻率:

　　所以電磁電流的最佳頻率f為:

(hz)
　　設(shè)電磁鐵平衡態(tài)懸浮的上下抖動范圍為±1mm，那么電流的上下波動范圍為±5.5a，這是理論計算的電流上下波動范圍，考慮到實(shí)際中可能會有很多干擾，故電流上下波動范圍選±6.0a。并假設(shè)穩(wěn)定懸浮時電流的波形為正弦波，那么有:
i(t)=6sin(ωt)=6sin(76.6t)a
即

又根據(jù)電壓方程:

　　因?yàn)殡娮柚颠h(yuǎn)大于電磁鐵電感值為1.6歐姆，考慮一定的裕量，選輸入電壓值為12v。開關(guān)器件選取型號為irf540n的mosfet(耐壓100v，耐流33a)，斬波開關(guān)器件的頻率為20khz。
4.3　四象限斬波器驅(qū)動電路設(shè)計
　　根據(jù)功率mosfet的驅(qū)動特性和四象
　　限斬波器的具體要求，本文采用mosfet柵極集成驅(qū)動芯片ir2110作為本驅(qū)動電路的核心部件，再輔以適當(dāng)?shù)耐鈬娐穼?shí)現(xiàn)所需的驅(qū)動功能，如圖8所示。

圖8　斬波器驅(qū)動電路

　　氣隙傳感器和電流傳感器輸出的信號送輸入電路部分，經(jīng)過信號調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換后送dsp中的ad模塊，進(jìn)行ad量化、濾波并保存，dsp運(yùn)行程序，通過控制算法計算判斷產(chǎn)生pwm波形。dsp輸出的波形為3.3v，其io口輸出的電流有限，需對其電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，這里選用74hc245將3.3v轉(zhuǎn)換為5v,pwm波形送到6n135和ir2110組成驅(qū)動電路中，然后驅(qū)動斬波器。

5　懸浮系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)
5.1　懸浮控制仿真
　　本裝置要實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)推力測試，就必須使直線電機(jī)處于懸浮狀態(tài)下，要實(shí)現(xiàn)對垂向力的測試，就要通過測試電磁鐵的電流來推算垂向力，因此，裝置的穩(wěn)定懸浮顯得至關(guān)重要，是決定測試平臺的能夠完成其功能的首要的和關(guān)鍵的因素。
　　磁懸浮控制算法采用pid控制算法，本系統(tǒng)基于tms320lf2407a dsp控制芯片用氣隙和電流雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。其框圖如圖9所示。

圖9　控制器框圖

　　為了驗(yàn)證氣隙和電流雙閉環(huán)控制的有效性，本文在基于matlab/simubbbb下搭建了混合懸浮系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。

圖10　混合懸浮系統(tǒng)的氣隙變化

圖11　電磁鐵電流的變化曲線

　　仿真結(jié)果如圖10和圖11，系統(tǒng)在運(yùn)行2s時加了一個100n 向下的擾動力，懸浮氣隙瞬間增大，這時候控制器起作用，使電流快速增加到3.1a，將懸浮裝置拉回到導(dǎo)軌，在10mm處氣隙不再減小，進(jìn)而系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，其間響應(yīng)時間小于0.05s。因此，雙閉環(huán)控制能夠通過對電流快速有效的控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。
5.2　懸浮系統(tǒng)試驗(yàn)
　　懸浮實(shí)驗(yàn)過程中，ch1測量的是負(fù)載兩端電流的波形，示波器ch2測量電磁鐵兩端的電壓信號。該混合懸浮系統(tǒng)的重量為31kg。圖12和圖13是混合懸浮系統(tǒng)在開環(huán)控制狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形。圖12是當(dāng)氣隙為10.42mm時，電流為1.5a左右時，懸浮裝置開始上浮，雖然由于各個腳之間的氣隙和吸力并不是完全相同，懸浮系統(tǒng)的各個腳是陸續(xù)吸上去的，但是混合電磁鐵在額定氣隙下能夠產(chǎn)生足夠的力使裝置上浮。圖13是反向流入0.74a左右電流時，懸浮裝置從吸附狀態(tài)落下，從而說明了懸浮系統(tǒng)可以使裝置順利下落。

圖12　混合懸浮系統(tǒng)上升波形

圖13　混合懸浮系統(tǒng)下落波形

　　圖14和圖15是在進(jìn)行懸浮試驗(yàn)時，通過調(diào)節(jié)pwm的占空比來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載端電流的控制。電流的響應(yīng)速度和跟隨性能良好。可見，dsp系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)對懸浮系統(tǒng)的控制，不但響應(yīng)速度快，且控制的精度較高。

圖14　正向通入2.5v時，磁鐵1上吸

圖15　反向通入1.2v時磁鐵1落下

6　結(jié)束語
　　本文分析了直線電機(jī)測試平臺的原理，以tms320lf2407a為核心控制單元設(shè)計了測試平臺混合懸浮系統(tǒng)的硬件。以混合電磁鐵為對象，編制了pid控制算法控制軟件。通過開環(huán)實(shí)驗(yàn)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)證明了本文設(shè)計的控制器能夠有效的對懸浮系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，從而為以后完成對slim的測試打下良好的基礎(chǔ)。