一種中低速磁浮列車軌縫信號處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種中低速磁浮列車軌縫信號處理方法。在中低速磁浮列車中使用多個氣隙傳感器依次通過軌道接縫，根據氣隙傳感器通過相同軌道接縫時軌縫信號特征一致的原理，從先通過軌縫的傳感器輸出信號中提取軌縫信號，根據傳感器依次通過軌道接縫的延時信息，對后通過軌道接縫的傳感器信號進行處理消除其中含有的軌縫信號，從而使得后過縫傳感器信號中不含有軌縫干擾信號。通過使用本發明的信號處理方法，在中低速磁浮列車運行中，始終采用后過縫傳感器處理信號，不進行傳感器信號切換，消除了由于傳感器信號切換造成的懸浮系統擾動。
【專利說明】 一種中低速磁浮列車軌縫信號處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及中低速磁浮列車懸浮控制信號處理技術。
【背景技術】
[0002]中低速磁浮列車采用電磁吸力懸浮系統，電磁吸力懸浮系統是一種本質不穩定的懸浮系統，它必須通過反饋控制以實現系統的穩定。在反饋控制中，系統首先對懸浮氣隙進行采樣，也就是首先檢測懸浮電磁鐵與軌道之間的距離(稱為氣隙值)，根據氣隙值通過一定的控制算法，計算維持這個氣隙所需要的電磁鐵電流的大小；最后通過懸浮斬波電路對電磁鐵電流進行控制，使電磁鐵電流等于需要的電磁鐵電流大小。
[0003]在中低速磁浮列車系統中，軌道采用低碳鋼等導磁材料制成，沿線路鋪設在軌道梁的軌枕上。軌道采用軋制工藝制成，目前一般單根軌道長度在8?12米之間。考慮到軌道和梁熱脹冷縮以及線路鋪設等原因，軌道與軌道之間需要留出一定的縫隙，稱之為軌縫。
[0004]中低速磁浮列車的懸浮系統對懸浮氣隙值進行檢測主要是通過電渦流傳感器(稱為氣隙傳感器)，檢測軌道下表面與傳感器探頭之間的距離。當氣隙傳感器探頭正對軌道接縫處時，相當于傳感器檢測的等效面積變小或者軌道檢測面處于遠處，所以此時傳感器的檢測輸出為最大氣隙或較大氣隙。因此，當懸浮電磁鐵通過軌道接縫時，氣隙傳感器在通過軌道接縫的過程中，其檢測值會出現先變大后變小，如圖1所示。如果使直接使用含有軌縫信號的傳感器檢測值，必然會造成懸浮系統性能變差甚至引起系統失穩。
[0005]在目前的實際使用中，解決懸浮系統過軌縫的辦法通常是使用多個氣隙傳感器探頭，利用氣隙傳感器在軌縫處檢測面變小，檢測信號值變大的原理，對傳感器檢測值取小，通過多個傳感器探頭的切換，來避免軌縫信號通過懸浮氣隙檢測值對懸浮系統造成影響。實際使用的切換過程比較簡單，假設沿著懸浮電磁鐵運行方向依次有傳感器I和傳感器2，兩個傳感器遠離軌道接縫處時檢測值一致。當電磁鐵運行時，傳感器I和2依次通過軌道接縫，當I通過軌道接縫的時候，其氣隙檢測值從正常值逐漸變大然后逐漸變小回到正常值，在這個過程中通過取小，將不在軌道接縫處的傳感器2的信號取出。當傳感器I通過軌道接縫后，其檢測值恢復正常，傳感器2接著通過軌道接縫，其氣隙檢測值也會逐漸變大然后變小，在這個過程中也通過取小，將有效的傳感器I信號取出。如果沿著運行方向依次有三個傳感器，那么按照類似的辦法，通過取小或者取中的方法，仍然可以將有效信號檢出。顯然這種方法利用了傳感器通過軌道接縫處，信號檢測值變大的特點，通過去除大值(或者說取小或者取中)的簡單方法，來實現懸浮系統過軌縫的問題。
[0006]這種方法雖然簡單易行，但在實際中仍然存在著一些問題，主要在兩個方面。首先，如果兩個或者三個傳感器在正常軌道處檢測值基本一致，那么在不過軌縫時這幾個傳感器信號也會頻繁切換。傳感器之間頻繁切換會將由于傳感器自身特性(如靈敏度、零點位置等)不一致產生的誤差或者其他誤差引入到系統中，對系統產生擾動。其次，如果傳感器之間由于安裝或者其他原因存在固定的誤差值，比如由于傳感器安裝傾斜或者傳感器零點不一致造成傳感器I的檢測值比2大或者小某一固定值，那么此時不存在普通軌道時的切換擾動問題，但在軌縫處切換的過程中，這個固定值至少要在檢測信號中產生兩次等效階躍信號，這顯然也會對系統的穩定造成影響。
[0007]通過分析，實際中應盡可能少的對傳感器進行切換，避免切換造成的擾動等問題，使用單個不含軌縫信號的傳感器是相對理想的。目前使用的去除大值的方法，優點是簡單，但這種方法實際忽略了傳感器信號中的某些有效信息，傳感器在通過軌縫時實際產生了一些有效信息，去除大值的方法并未對這些信息進行充分的利用。
[0008]氣隙傳感器在通過某一軌道接縫的過程中所產生的信號是固定的，這個信號可以認為是正常氣隙信號中疊加一個軌縫信號，軌縫信號特征與氣隙值和軌縫自身特征(如寬度等)、通過速度等有關，與傳感器特性無關。不同氣隙傳感器的軌縫信號特性可以認為是一致的，那么不同的傳感器在同一氣隙下，通過固定的軌道接縫，所產生的信號具有一致性。根據這種一致性，將先通過軌縫的傳感器信號中的軌縫信號部分提取出來，然后按提取信號的特征對后通過軌縫的傳感器信號進行處理，消除其中的軌縫信號，那么我們就可以得到一個不含軌縫信號的單個傳感器信號。
【發明內容】
[0009]基于現有技術的不足和以上的認識，本發明提出了一種新的中低速磁浮列車軌縫信號的處理方法，以克服現有技術的以上不足。
[0010]一種中低速磁浮列車軌縫信號處理方法，在中低速磁浮列車中沿車輛運行方向安裝至少兩個等間距氣隙傳感器，按照以下三個步驟實施:首先從先通過軌道接縫的氣隙傳感器信號中提取軌縫信號，其次是對多個氣隙傳感器先后通過軌道接縫的時間差值進行計算，最后對后通過軌道接縫傳感器信號中軌縫信號分量進行消除，在中低速磁浮列車運行中始終采用經過消除軌縫信號的最后氣隙傳感器的氣隙值。
[0011]本發明方法首先對先通過軌縫的傳感器檢測信號進行軌縫信號提取，然后根據列車運行速度或雙傳感器過軌縫時間差計算后續傳感器通過軌縫的時間，最后按照時間對后續傳感器信號中的過軌縫信號進行消除。懸浮系統使用的氣隙檢測信號為消除過軌縫信號的后傳感器，在整個列車運行過程中，除非故障，傳感器信號不進行切換。這種方法用于中低速磁浮列車懸浮系統傳感器信號處理過程，可有效避免在列車運行中由于傳感器切換對系統懸浮造成的擾動。
[0012]本發明基于氣隙傳感器通過相同軌道接縫時具有相同特征軌縫信號的基本原理，通過對先過軌縫傳感器檢測信號的軌縫信號的特征提取和后過軌縫傳感器過軌縫時間的預測，對后過軌縫傳感器信號中的過軌縫信號分量進行消除，達到在后過軌縫傳感器信號中消除軌縫信號，使得在整個懸浮過程中，選擇固定的傳感器信號，不進行傳感器信號的切換。本發明利用了傳感器通過軌道接縫時產生的信號特征，消除了懸浮系統由于傳感器信號切換造成的擾動，可在中低速磁浮列車懸浮控制系統中使用。
[0013]氣隙傳感器采用電渦流原理，懸浮探頭通以高頻交流電，交流電在檢測物體的表面形成渦流，渦流的大小根探頭距離物體表面的距離相關，渦流的作用使得線圈的阻抗發生變化，通過檢測線圈阻抗的變化，可以得到探頭距離物體表面的距離。
[0014]氣隙傳感器在某一固定距離的時候，當物體表面發生變化，渦流會發生改變，檢測線圈的阻抗也會發生變化，從而帶來檢測值的變化。所以當檢測面發生的變化，檢測值也會發生變化，檢測面減小，渦流減小，等效檢測面不變檢測距離變大。所以當傳感器通過軌道接縫時，檢測氣隙值會變大。此外，檢測面發生固定變化，檢測值發生的變化也是固定的。氣隙傳感器通過某一軌道接縫時，傳感器檢測信號可以認為是氣隙值信號和由于軌縫引起的檢測面變化帶來的軌縫信號的疊加。當多個傳感器距離近，通過軌縫速度高時，可以認為所有傳感器在同一軌縫處產生的軌縫信號是相同的、一致的。這種一致性是本專利的基本原理和基本出發點。
[0015]本發明方法首先根據列車運行方向，確定傳感器通過軌道接縫的先后順序，假設先通過軌道接縫的傳感器為前傳感器，后通過者為后傳感器，在懸浮過程中無故障情況下均使用后傳感器檢測信號的處理值。
[0016]首先需要對前傳感器中軌縫信號進行提取。在提取過程中，可以對前后傳感器之間差值進行高通濾波，消除由于傳感器安裝不平等原因造成的固定誤差，對濾波值進行閾值判斷，如果濾波值連續一段時間大于閾值，那么認為前傳感器處于軌道接縫中，如果濾波值連續一段時間小于閾值，那么認為前傳感器不在軌道接縫中，對所有大于閾值的信號進行存儲，作為軌縫信號；對于軌縫信號的提取也可以采用帶通濾波器的方法，根據軌縫的寬度范圍和列車運行的速度，計算通過軌縫的時間，根據這一時間設置軌縫信號的帶寬，通過帶通濾波器，對前傳感器信號提取軌縫信號。
[0017]其次判斷后傳感器通過軌道接縫的時間。時間的估算可以通過傳感器探頭之間的距離和列車運行速度進行計算，也可以采用三傳感器結構，通過前傳感器和中傳感器通過軌縫的時間差值去推算后傳感器通過軌縫的時間。
[0018]最后，按照時間延時量，對后通過軌道接縫傳感器信號依照時間坐標依次減去軌
縫信號。
[0019]本發明通過對前傳感器檢測信號中軌道接縫信號的提取，將后傳感器檢測信號中的軌縫信號消除，使得在懸浮過程中均使用后傳感器信號，不進行傳感器切換。這種方法避免了中低速磁浮列車運行時由于傳感器切換造成的懸浮系統擾動，并且充分利用了傳感器中有效信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是傳感器通過軌道接縫波形圖。
[0021]圖2實施例二中三傳感器處理信號波形圖。
【具體實施方式】
[0022]實施例一
[0023]在懸浮電磁鐵端部安裝兩個傳感器，根據列車運行方向，可以確定先通過軌縫的傳感器稱為前傳感器，后通過的軌縫的傳感器成為后傳感器。在列車運行過程中，指定使用后傳感器信號。
[0024]根據列車運行速度V和前后傳感器間的距離s計算后傳感器通過軌道接縫的時間間隔丨。
[0025]對前傳感器信號與后傳感器信號之差值進行高通濾波，當濾波值大于某一閾值，如0.2mm,則認為前傳感器可能處于通過軌縫的狀態，在此后一時間內，均滿足
大于閾值條件，則認為前傳感器處于軌縫中，如果濾波值小于該閾值或時間超過&，
則認為前傳感器離開軌縫。其中為Lm最大軌縫寬度。記錄在此期間的濾波值序列
?χ1，χ2> Χ3.......Xn-1，XrJ。
[0026]在延時時間T后,后傳感器檢測信號中依次減去(X1, X2, X3.......xn-1, XnI。
[0027]實施例二
[0028]在懸浮電磁鐵端部安裝三個傳感器，根據列車運行方向，確定通過軌縫的傳感器依次稱為前傳感器、中傳感器和后傳感器。在列車運行過程中，指定使用后傳感器信號。
[0029]將前傳感器與后傳感器相減，加高通濾波，作為信號1，同樣將中傳感器與后傳感器相減，加高通濾波，作為信號2。對信號I和信號2做實時處理，當信號大于某一閾值，比如3_時，記錄信號I和信號2發生最大值時的時間差T，傳感器探頭間距離與該時間差值T的比值可以認為是列車運行的速度。由于探頭距離小，可以認為探頭依次通過的過程中，列車速度不變，那么后傳感器在中傳感器通過軌縫后，經過相同的時間差T后通過軌道接縫。
[0030]將前傳感器與中傳感器進行相減，加高通濾波，作為信號3，當信號I發生最大值時對信號3的數據進行記錄，記錄時間為2T，對記錄數據進行處理，去除其中的正信號，取出其中的負信號，將其進行T時間延時后，依次與后傳感器信號相加，那么后傳感器信號中的軌縫信號得以消除。
【權利要求】
1.一種中低速磁浮列車軌縫信號處理方法，在中低速磁浮列車中沿車輛運行方向安裝至少兩個等間距氣隙傳感器，按照以下三個步驟實施:首先從先通過軌道接縫的氣隙傳感器信號中提取軌縫信號，其次是對多個氣隙傳感器先后通過軌道接縫的時間差值進行計算，最后對后通過軌道接縫傳感器信號中軌縫信號分量進行消除，在中低速磁浮列車運行中始終采用經過消除軌縫信號的最后氣隙傳感器的氣隙值。
2.根據權利要求1所述的中低速磁浮列車軌縫信號處理方法，其特征在于，提取先通過軌道接縫的氣隙傳感器信號中軌縫信號方法為:通過前后相鄰傳感器之間的差值進行高通濾波，當濾波值連續大于某一閾值后，認為前傳感器正在通過軌縫，當濾波值連續小于該閾值后，認為傳感器完全通過軌縫，依次記錄所有大于閾值的濾波值；或者根據列車運行的速度和軌縫的寬度范圍，設計相應的帶通濾波器，提取過軌縫信號，并依次記錄。
3.根據權利要求1所述的中低速磁浮列車軌縫信號處理方法，其特征在于，對多個氣隙傳感器先后通過軌道接縫的時間差值計算方法為:通過傳感器間距與列車運行速度進行計算。
4.根據權利要求1所述的中低速磁浮列車軌縫信號處理方法，其特征在于，采用三傳感器結構，通過前中傳感器通過軌縫的時間計算時間差值。
5.根據權利要求1所述的中低速磁浮列車軌縫信號處理方法，其特征在于，對后通過軌道接縫傳感器信號中軌縫信號分量的消除方法為:對后通過軌道接縫傳感器信號依照時間坐標對過軌縫信號分量進行依次相減。
【文檔編號】B61L1/00GK103950456SQ201410145566
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】董金文, 張昆侖 申請人:西南交通大學