一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统及控制方法，采用长定子永磁同步直线电机方式驱动中低速永磁悬浮列车，使得列车爬坡能力更强、更轻便以及运行效率更高。通过选用STM32F407控制模块以及西门子S7

【技术实现步骤摘要】
一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及磁悬浮列车控制
，具体涉及一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]目前在国内外，中低速磁悬浮列车的牵引方式的最优选择方案是采用短定子异步直线电机进行牵引。短定子异步直线电机牵引方式是在车上安装三相电枢绕组、牵引变压器及变流器等全套牵引装置，轨道上安装感应轨作为转子，车辆一般采用接触受流的方式从地面供电系统获取动力电源。这种方式结构优点是结构简单，容易维护，造价低，但主要缺点是功率偏低，效率低，列车本体笨重。我国的长沙机场线与北京S1线磁悬浮列车，以及日本的HSST型磁悬浮列车都采用这种推进方式。而长定子同步直线电机牵引方式是在轨道上全线铺设上定子线圈(称为长定子)，车辆上的悬浮磁铁同时作为直线电机的转子，而所有的牵引供变电、变流控制、开关控制等设备均设在地面上。考虑到定子线圈的电能损耗、反电势等因素，要将线路上定子线圈划分了多个区间(称为牵引分区)，每个牵引分区均设有完整的牵引供变电系统。仅有列车行经的区间的地面牵引系统在工作，列车在跨分区时相邻的牵引分区间进行自动交接。长定子直线电机的优势是牵引功率大、效率比短定子更高，能够实现更高的牵引速度，其缺点是地面设备多，系统复杂，工程造价高。
[0003]因此，设计出一个稳定性更好、结构更简单、工程造价更低以及维护更加方便的基于长定子同步直线电机驱动方式的中低速悬挂式永磁悬浮列车运动控制系统是有很重要的研究意义以及应用价值。
[0004]虽然直线电机的控制策略已经发展多年，但是目前仍以传统的PID控制策略为主。这主要是因为PID控制已经满足大多测控系统，并且PID程序编写方便、参数调试可靠性较高。但是PID控制在复杂的非线性时变系统中控制效果往往差强人意，特别是对于参数和结构不确定的控制系统，PID控制很难满足要求。直线电机伺服控制系统具有非线性的特点，若仅仅采用PID控制则无法达到期望的控制效果。因此，相关研究人员提出了复合控制的思想，即在PID控制中引入现代控制策略结合形成新型的控制方法。目前在直线电机控制策略中应用较好的是模糊PID控制，如王兴贵、袁泉等将模糊PID控制器应用于永磁直线同步电机伺服控制系统中，使得系统表现出较好的动态响应性能。但是在实际应用过程中由于直线电机驱动装置本身使得系统存在一定的滞后，模糊PID控制在抑制滞后的作用上无法达到预期的效果。
[0005]因此，如果能够可以提出一种能够抑制滞后，并且控制效果优于模糊PID的直线电机控制策略，将提高列车的位置、速度控制精度以及增强系统的鲁棒性。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统及控制方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统，包括上位机模块、控制单元模块、运动控制模块以及交叉回线系统；
[0009]所述上位机模块包括触摸屏和主控计算机；所述控制单元模块包括控制模块和PLC控制器，控制模块采用STM32F407微型控制器，PLC控制器采用西门子S7-1200 PLC；所述运动控制模块包括S120变频器和无铁芯长定子的永磁直线同步电机；
[0010]所述S120变频器和所述PLC控制器通讯连接；
[0011]所述交叉回线系统通过光纤接口通讯连接于所述控制模块，用于将列车当前位置和当前速度信息传输给控制模块；所述主控计算机和所述控制模块通讯连接，所述触摸屏和所述PLC控制器通讯连接，所述控制模块和PLC控制器通讯连接；
[0012]交叉回线系统反馈的列车当前位置和当前速度的信息经控制模块传输至PLC控制器，所述PLC控制器据此发出相应的控制字报文指令给所述S120变频器，所述S120变频器根据PLC控制器的控制字报文指令驱动永磁直线同步电机，实现永磁悬浮列车的自动牵引制动功能。
[0013]进一步地，主控计算机和触摸屏分别接收来自交叉回线系统以及PLC控制器传输的关键状态信号并实时显示在各自的监控画面上，关键状态信号包括列车当前位置、列车当前速度、当前电机电流和当前电机电压，列车当前位置和列车当前速度由交叉回线系统获取，当前电机电流和当前电机电压由S120变频器获取；其中，交叉回线系统反馈的关键状态信号首先传输至控制模块，所述控制模块再传输至主控计算机；S120变频器所获取的关键状态信号传输至PLC控制器，并由PLC控制器传输至触摸屏。
[0014]进一步地，主控计算机和触摸屏均具有状态监测功能，所述状态监测功能包括实时数据显示功能、波形显示功能、故障显示功能以及系统运行日志功能；所述实时数据显示功能用于对列车关键状态信号进行实时显示；所述波形显示功能用于对列车当前速度以及当前电机电流变化趋势通过波形的方式进行显示；所述故障显示功能用于对故障情况进行实时显示以及对历史故障信息进行查询显示；所述系统运行日志功能用于记录和显示系统每日的运行情况。
[0015]进一步地，所述PLC控制器具有列车控制功能，包括列车启动和停止功能、精准定位和速度控制功能、数据通信控制功能以及故障复位控制功能；所述列车启动和停止功能用于控制列车的平稳启动以及停车；所述精准定位和速度控制功能用于控制列车在目标速度上下波动较小的情况下运行，并控制列车在目标停车位置上精准停车；所述数据通信控制功能用于实现和S120变频器之间数据交互正常；所述故障复位控制功能用于在S120变频器遇到故障时，接收S120变频器的故障信号并控制S120变频器进行故障复位操作。
[0016]进一步地，所述永磁直线同步电机采用定子电流d轴分量恒定为零的转子磁链定向解耦控制方式，构建基于矢量控制的位置、速度和电流的三闭环矢量控制系统；所述三闭环矢量控制系统中位置环和电流环均采用PID控制策略，而速度环采用模糊预测PID控制策略；所述三闭环矢量控制系统中，最外环是位置环，首先列车期望位置信号S
*
与列车反馈位置信号S的偏差作为位置环PID控制器的输入，位置环PID控制器根据位置偏差信号输出相应的列车速度期望值ω
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；中间环是速度环，根据电机实际旋转角度θ计算出电机实际转速ω
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，电机实际转速ω
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与预测模型得出的模型预测值ω
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经过反馈校正模块得出未来时刻预
测速度值ω
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，而反馈的预测速度值ω
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的偏差作为模糊PID控制器的输入，模糊PID控制器输出相应的电流期望值i
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；最内环是两个电流环：d-q坐标系q方向电流环和d-q坐标系d方向电流环；在d-q坐标系q方向电流环的电流期望值i
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与电流反馈量i
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的偏差值作为q方向PID控制器的输入，q方向PID控制器输出相应的电压U
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种悬挂式中低速永磁悬浮列车运动控制系统，其特征在于，包括上位机模块、控制单元模块、运动控制模块以及交叉回线系统；所述上位机模块包括触摸屏和主控计算机；所述控制单元模块包括控制模块和PLC控制器，控制模块采用STM32F407微型控制器，PLC控制器采用西门子S7-1200 PLC；所述运动控制模块包括S120变频器和无铁芯长定子的永磁直线同步电机；所述S120变频器和所述PLC控制器通讯连接；所述交叉回线系统通过光纤接口通讯连接于所述控制模块，用于将列车当前位置和当前速度信息传输给控制模块；所述主控计算机和所述控制模块通讯连接，所述触摸屏和所述PLC控制器通讯连接，所述控制模块和PLC控制器通讯连接；交叉回线系统反馈的列车当前位置和当前速度的信息经控制模块传输至PLC控制器，所述PLC控制器据此发出相应的控制字报文指令给所述S120变频器，所述S120变频器根据PLC控制器的控制字报文指令驱动永磁直线同步电机，实现永磁悬浮列车的自动牵引制动功能。2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，主控计算机和触摸屏分别接收来自交叉回线系统以及PLC控制器传输的关键状态信号并实时显示在各自的监控画面上，关键状态信号包括列车当前位置、列车当前速度、当前电机电流和当前电机电压，列车当前位置和列车当前速度由交叉回线系统获取，当前电机电流和当前电机电压由S120变频器获取；其中，交叉回线系统反馈的关键状态信号首先传输至控制模块，所述控制模块再传输至主控计算机；S120变频器所获取的关键状态信号传输至PLC控制器，并由PLC控制器传输至触摸屏。3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，主控计算机和触摸屏均具有状态监测功能，所述状态监测功能包括实时数据显示功能、波形显示功能、故障显示功能以及系统运行日志功能；所述实时数据显示功能用于对列车关键状态信号进行实时显示；所述波形显示功能用于对列车当前速度以及当前电机电流变化趋势通过波形的方式进行显示；所述故障显示功能用于对故障情况进行实时显示以及对历史故障信息进行查询显示；所述系统运行日志功能用于记录和显示系统每日的运行情况。4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述PLC控制器具有列车控制功能，包括列车启动和停止功能、精准定位和速度控制功能、数据通信控制功能以及故障复位控制功能；所述列车启动和停止功能用于控制列车的平稳启动以及停车；所述精准定位和速度控制功能用于控制列车在目标速度上下波动较小的情况下运行，并控制列车在目标停车位置上精准停车；所述数据通信控制功能用于实现和S120变频器之间数据交互正常；所述故障复位控制功能用于在S120变频器遇到故障时，接收S120变频器的故障信号并控制S120变频器进行故障复位操作。5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述永磁直线同步电机采用定子电流d轴分量恒定为零的转子磁链定向解耦控制方式，构建基于矢量控制的位置、速度和电流的三闭环矢量控制系统；所述三闭环矢量控制系统中位置环和电流环均采用PID控制策略，而速度环采用模糊预测PID控制策略；所述三闭环矢量控制系统中，最外环是位置环，首先列车期望位置信号S
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与列车反馈位置信号S的偏差作为位置环PID控制器的输入，位置环PID控制器根据位置偏差信号输出相应的列车速度期望值ω
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旋转角度θ计算出电机实际转速ω
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；而在d-q坐标系d方向电流环的电流期望值i
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【专利技术属性】
技术研发人员：过振宇，樊宽刚，刘鸿恩，韩树人，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：