一種中低速磁浮列車雙磁鐵懸浮模塊用三橋臂懸浮斬波器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于中低速磁浮列車雙磁鐵結構懸浮模塊的三橋臂懸浮斬波器。由三橋臂懸浮斬波電路、電磁鐵電流控制單元和三橋臂脈沖分配單元組成。三橋臂懸浮斬波電路由三個開關管和三個二極管組成。三個橋臂中，有一個公共橋臂，橋臂二極管與開關管串聯處連接兩個懸浮電磁鐵的同名端，另外兩個橋臂二極管與開關管串聯處分別連接懸浮電磁鐵的剩余兩端。兩個獨立橋臂開關管與二極管的上下位置相同，但與公共橋臂相反的。懸浮模塊中的每一個電磁鐵都通過公共橋臂與各自的獨立橋臂構成一個雙橋臂懸浮斬波電路。本發明懸浮斬波器在結構形式上比兩個電磁鐵分別采用兩個雙橋臂的電路，要節約一組橋臂，相應節省空間，但最大電流變化率仍保持不變。
【專利說明】一種中低速磁浮列車雙磁鐵懸浮模塊用三橋臂懸浮斬波器
【技術領域】
[0001]本發明涉及中低速磁浮列車單懸浮模塊中雙磁鐵電流控制實現裝置，也涉及磁浮列車懸浮控制技術與電力電子技術。
【背景技術】
[0002]在目前的中低速磁浮列車中，有三轉向架結構和五轉向架等幾種結構。每個轉向架有四個懸浮控制點，通過轉向架的機械解耦，懸浮控制點之間機械耦合較小，運動相對獨立。每個懸浮控制點可以作為一個獨立的單點懸浮系統，單點懸浮系統也稱為單懸浮模塊。每一個懸浮模塊由一套懸浮傳感器、一套懸浮控制器、兩個懸浮電磁鐵和一套懸浮斬波器構成。
[0003]對于單懸浮模塊來說，懸浮傳感器和懸浮控制器用于檢測懸浮間隙值以及懸浮電磁鐵的加速度，并且根據檢測回來的間隙和加速度值對懸浮電磁鐵的期望電流值(懸浮斬波器電流給定值)進行計算。對單懸浮模塊來說，它的兩個懸浮電磁鐵的給定電流只有一個。懸浮斬波電路根據給定電流值對電磁鐵電流進行實現。
[0004]懸浮斬波電路通常采用雙橋臂電路，由于電磁鐵電流單向流動，橋臂采用開關管與二極管串聯結構，橋臂的兩端連接輸入電源，橋臂二極管與開關管串聯處，也稱輸出端，連接電磁鐵一端。兩橋臂中一個橋臂開關管在上二極管在下，稱上橋臂，上橋臂開關管開通，電磁鐵一端與電源正極相連；一個開關管在下二極管在上，稱下橋臂，下橋臂開關管開通，電磁鐵另一端與電源負極相連。上下橋臂同時導通，則電感承受電源電壓，電感電流增力口，上下橋臂同時關斷，則電感電流通過二極管流動，電感承受反向電源電壓，電感電流減小，如果只有一個開關管導通，電感會通過另一橋臂二極管與開通的開關管進行續流。通過控制上下橋臂開關管的開通與關斷，就可以控制電磁鐵電流的大小。理論分析表明電磁鐵電流與開關管開通的總時間或者占空比之和成正比。
[0005]由于電磁鐵具有兩個，目前采用兩種方法對電磁鐵電流進行控制:(1)雙磁鐵串聯方案:將兩個懸浮電磁鐵串聯后使用一套懸浮斬波電路和一套電流控制單元，對串聯懸浮電磁鐵電流進行控制，懸浮斬波器由一套懸浮斬波電路和一套電流控制單元構成；(2)電磁鐵獨立控制方案:兩個懸浮電磁鐵各自獨立，使用兩套懸浮斬波電路和兩套電流控制單元分別對兩個懸浮電磁鐵進行電流控制，懸浮斬波器由兩套懸浮斬波電路和兩套電流控制單元構成。
[0006]對于串聯電磁鐵使用一套懸浮斬波電路的方法來說，系統比較簡單，但是由于電磁鐵串聯，使得電磁鐵電感比單獨控制方案下增大一倍，所以電流的變化速度在同樣的輸入電壓下，減小一倍。對懸浮控制系統來說，電流變化的快慢，反映了懸浮力變化的快慢，電流變化越快，表明懸浮系統的動態特性越好。從這個角度來說獨立控制的方案在懸浮系統的性能上優于串聯電磁鐵的方案，但獨立控制意味著增加一套懸浮斬波電路和一套電流控制單兀。
[0007]本專利提出一種基于三橋臂懸浮斬波器，用于控制雙電磁鐵結構單懸浮模塊。三橋臂斬波電路在雙橋臂懸浮斬波電路中增加一個橋臂，并且將橋臂分為公共橋臂和獨立橋臂，公共橋臂連接電磁鐵同名端，可以達到對雙電磁鐵獨立控制的要求。為了對三橋臂進行控制，增加了三橋臂脈沖分配單元，并給出了脈沖分配的方法。這種方案動態性能與獨立方案相當，但與串聯控制相比硬件上僅需要增加一個橋臂，在實際中通常為一個IGBT模塊或者開關模塊。三橋臂脈沖分配單元可以通過軟件或者硬件電路模塊實現，硬件負擔不增加或增加不多。這種方案有利于在保證懸浮系統性能的情況下，對懸浮控制系統進行小型化和輕量化。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種中低速磁浮列車雙磁鐵懸浮模塊用三橋臂懸浮斬波器，應用于中低速磁浮列車懸浮系統，使之客服現有技術的以上不足，實現對雙電磁鐵電流的控制，避免使用兩套斬波器或者通過串聯犧牲電流的動態特性具有結構優化，性能優良的的優點。
[0009]本發明的目的是通過如下的手段實現的。
[0010]一種中低速磁浮列車雙磁鐵懸浮模塊用三橋臂懸浮斬波器，用于控制雙電磁鐵結構單懸浮模塊，主要由懸浮斬波電路、電磁鐵電流控制單元和橋臂脈沖分配單元組成，其中懸浮斬波電路由三組橋臂構成，每一橋臂由二極管與開關管串聯組成，其中公共橋臂的開關管與二極管上下位置與其余兩橋臂相反，每一橋臂兩端與輸入電源進行連接，公共橋臂二極管與開關管串聯處與兩個懸浮電磁鐵的同名端相連，其余兩個橋臂二極管與開關管串聯處分別與兩個懸浮電磁鐵的另一端相連；相應的，橋臂脈沖分配單元為三橋臂脈沖分配單元。
[0011]所述三橋臂脈沖分配單元根據懸浮電磁鐵電流控制單元給出的每一個電磁鐵需要的總開通時間對三橋臂的控制脈沖進行分配；公共橋臂分配開通時間為兩個電磁鐵的開通總時間中的最小值，如果最小值小于零，則公共橋臂開通時間等于零，如果最小值超過開關周期，則公共橋臂開通時間為開關周期；其余兩個橋臂的開通時間分別為對應電磁鐵總開通時間與公共橋臂開通時間的差值，差值小于零，開通時間等于零，差值大于開關周期，開通時間等于開關周期。
[0012]本發明三橋臂懸浮斬波器首先在功率電路上與傳統懸浮斬波器不同。這種不同是基于對獨立供電的雙斬波電路-雙電磁鐵方案進行優化。在傳統方案中，斬波電路為兩個橋臂的電路。針對雙電磁鐵采用雙懸浮斬波器的情況，對兩個懸浮斬波器進行優化，將兩個斬波器的上橋臂或者下橋臂進行合并，構成公共橋臂，從而提出三橋臂斬波電路的結構。這樣形成的斬波器中，具有三個橋臂，一個公共橋臂和兩個獨立橋臂，每一個橋臂均為二極管與開關管串聯結構，獨立橋臂的二極管與開關管上下位置一致，公共橋臂二極管與開關管上下位置與獨立橋臂相反。這樣公共橋臂與兩個獨立橋臂分別構成兩套斬波電路，每套斬波電路均具有一個上開關管橋臂和一個下開關管橋臂。
[0013]在電路結構簡化后對電磁鐵電流控制方法進行分析。在采用傳統的電磁鐵電流控制單元對每一個電磁鐵根據電流給定和實際電流計算總的開關管開通時間之后，需要考慮在公共橋臂的結構下，開通時間是否可以同時實現，以及如何實現。在采用公共橋臂之后，雖然對每個電磁鐵來說，公共橋臂與對應獨立橋臂可以構成一套具有一個上開關管橋臂和一個下開關管橋臂的完整斬波電路，但是由于公共橋臂的存在，兩個電磁鐵的開通時間受到一定的限制，兩者如果相差太大，公共橋臂的動作可能無法同時滿足兩個電磁鐵的要求。根據中低速磁浮列車懸浮模塊電流控制的特點，雙電磁鐵電流給定一致，電磁鐵的尺寸和匝數等設計參數是相同的，具體制造和工作中產生的參數差別是有限的，可以認為雙電磁鐵參數基本一致。那么兩個一致就使得在三橋臂懸浮斬波電路結構下對雙電磁鐵的電流控制單元的計算結果相差不會太大，這種差別可以通過調節不同的獨立橋臂開通時間來滿足。所以在單懸浮模塊中，三橋臂斬波電路可以對通過控制脈沖分配滿足每一個電磁鐵電流進行準確控制。
[0014]由于單懸浮模塊的結構和參數上的兩個一致使得三橋臂懸浮斬波器可以對每一個電磁鐵電流進行準確控制，在每一個電磁鐵對應的電流控制單元給出需要的總開關管開通時間后，依據相同部分由公共橋臂實現，差別有獨立橋臂實現的原則，通過三橋臂脈沖分配單元對三個橋臂的開通時間進行分配。
[0015]在雙臂結構的懸浮斬波電路中，假設兩個橋臂的開關管的開通時間分別為Tup和
Td_,那么斬波電路的輸出電流為€ = + - 7)，其中為u電源電壓，R為電磁鐵電
阻，T為開關周期。在傳統控制中，按照Tup = Td_進行上下橋臂脈沖控制，也就是上下臂開關管同步動作，電流控制單元計算斬波器單管開通時間，然后執行。在三橋臂斬波電路中公共橋臂與電磁鐵對應的獨立橋臂形成雙臂結構斬波電路，在這種結構下，系統上下橋臂總的開通時間最小為公共橋臂開通時間，最大不超過公共橋臂開通時間與開關周期的和。如果三橋臂斬波器電流控制單元對每一個電磁鐵計算其需要的上下橋臂總的開通時間，假設分別為T1和T2，其中公共橋臂開通時間為PWM3，獨立橋臂開通時間分別為PWMl和PWM2，開關周期為T。那么三橋臂脈沖分配單元的工作流程如圖3所示。由于每一個電磁鐵控制系統上下橋臂總的開通時間最小為公共橋臂開通時間，那么公共橋臂的開通時間應該是T1和T2中的最小值，考慮到在單周期內公共橋臂的開通時間大于等于O小于等于T，所以公共橋臂的開通時間應該是!^!^和開關周期中的最小值，且最小為零。對應的獨立橋臂為相應的總的開關時間減去公共橋臂的開`通時間獨立橋臂的開通時間，同時保證獨立橋臂開通時間不小于零且不超過開關周期。這樣通過三橋臂的控制脈沖分配可以保證兩個懸浮電磁鐵電流可以達到精確控制。
[0016]發明提出的三橋臂懸浮斬波器首先采用了一種具有公共橋臂的斬波電路，公共橋臂連接雙電磁鐵的同名端，通過各個電磁鐵的電流控制單元以及三橋臂脈沖分配單元，對三個橋臂進行控制，實現對雙電磁鐵電流的控制，避免使用兩套斬波器或者通過串聯犧牲電流的動態特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是三橋臂懸浮斬波器與雙電磁鐵系統原理圖。
[0018]圖2是三橋臂懸浮斬波電路另一種實現方式。
[0019]圖3是三橋臂脈沖分配單元工作邏輯圖。
[0020]圖4是三橋臂脈沖分配單元硬件電路框圖。【具體實施方式】
[0021]實施例一
[0022]K1、K2和Κ3三個開關管采用同周期控制，，假設它們的開關周期均為Τ。三橋臂中的公共橋臂采用下開關管結構，如圖1所示，其連接中點與雙電磁鐵的同名端(電磁鐵電流流出端)連接在一起，其余兩個橋臂分別與雙電磁鐵的另一端相連。
[0023]在實施的時候，對電磁鐵I和2的電流進行分別采樣，根據電磁鐵I的電流反饋控制單元1，計算Kl和Κ3的開通總時間Ml ;根據電磁鐵2的電流反饋控制單元2，計算Κ2和Κ3的開通總時間M2 ;最后三橋臂脈沖分配單元按照流程圖3通過軟件分別計算Κ1、Κ2和Κ3的開通時間P麗1、P麗2和P麗3。
【權利要求】
1.一種中低速磁浮列車雙磁鐵懸浮模塊用三橋臂懸浮斬波器，用于控制雙電磁鐵結構單懸浮模塊，主要由懸浮斬波電路、電磁鐵電流控制單元和橋臂脈沖分配單元組成，其特征在于，其中懸浮斬波電路由三組橋臂構成，每一橋臂由二極管與開關管串聯組成，其中公共橋臂的開關管與二極管上下位置與其余兩橋臂相反，每一橋臂兩端與輸入電源進行連接，公共橋臂二極管與開關管串聯處與兩個懸浮電磁鐵的同名端相連，其余兩個橋臂二極管與開關管串聯處分別與兩個懸浮電磁鐵的另一端相連；相應的，橋臂脈沖分配單元為三橋臂脈沖分配單元。
2.根據權利要求1所述的一種中低速磁浮列車雙磁鐵懸浮模塊用三橋臂懸浮斬波器，其特征在于:所述三橋臂脈沖分配單元根據懸浮電磁鐵電流控制單元給出的每一個電磁鐵需要的總開通時間對三橋臂的控制脈沖進行分配；公共橋臂分配開通時間為兩個電磁鐵的開通總時間中的最小值，如果最小值小于零，則公共橋臂開通時間等于零，如果最小值超過開關周期，則公共橋臂開通時間為開關周期；其余兩個橋臂的開通時間分別為對應電磁鐵總開通時間與公共橋臂開通時間的差值，差值小于零，開通時間等于零，差值大于開關周期，開通時間等于開關周期。
【文檔編號】H02M3/155GK103780085SQ201410010300
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】董金文, 張昆侖, 劉放, 王瀅, 劉國清, 靖永志 申請人:西南交通大學