基于跟蹤微分器的磁浮列車定位測速系統信號處理問題研究

竇峰山， 何洪禮， 謝云德， 何 寧

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙 410073)

高速磁浮列車采用的絕對定位與相對定位相結合的定位測速技術在列車運行控制中起到了關鍵作用，其高精確性和高可靠性得到了實際驗證[1-2]。高速磁浮列車長定子是由定子模塊拼接而成，存在許多不均勻的接縫。這些接縫的存在使傳感器的被測導體面為一個不連續的檢測面，破壞了傳感器線圈在軌道上方運動時的電感分布規律，增加了定位測速系統的檢測難度[3-4]。當相對位置傳感器經過接縫時，其輸出信號將產生畸變，畸變的信號會影響牽引系統正常工作，有可能導致牽引設備過流或過壓保護，甚至是燒毀牽引設備，造成安全事故[5]。由于接縫的尺寸不同，其對相對位置傳感器輸出的相角信號影響不同。因此必須采用方法消除軌道接縫對位置檢測產生的影響，解決定位測速系統的過接縫問題。

目前，定位測速系統是在磁極相角處理單元(PRW)中采用自適應濾波及傳感器冗余的方法解決這一問題[3-4]。但是由于自適應濾波方法需要大量的歷史數據，計算復雜，對處理器的存儲空間和運算能力具有較高要求，因此有必要提出新的方法更好的解決過接縫問題。針對上述問題，本文將研究應用跟蹤微分器在PRW中解決傳感器過大、小接縫的問題。

1 基于同步牽引的磁浮列車定位測速原理

相對位置傳感器的主要功能是輸出列車的相對位置、相位、速度和方向信息。目前，高速磁浮列車主要采用電感式變磁阻相對位置傳感器。相對位置傳感器在齒槽上方運動時，受長定子齒槽結構的影響，磁路的等效磁阻發生周期變化，相應的傳感器線圈的等效電感發生變化，通過檢測線圈的電感變化，從而準確獲取列車的位置等信息[5-8]，其工作示意圖見圖1。

相鄰軌道梁間的接縫，使得相對位置傳感器在經過圖1所示的長定子接縫時輸出的磁極相角信號存在畸變，而且不同長度的接縫導致的信號畸變情況也不同，見圖2。

對于過小接縫的情況，由于相角信號僅是波形發生畸變，齒槽數仍是正常的，因此只需將其當作一般的干擾信號，采用濾波算法將波形畸變消除即可，無需判斷是否過接縫。

對于過大接縫的情況，由于相角信號不僅波形畸變而且發生齒槽數漏數，已無法通過簡單的濾波消除畸變，因此需要首先檢測信號，判斷其是否到達接縫，然后采取一定的措施消除畸變和修正齒槽數。

2 新型跟蹤微分器建模

根據實際需要設計如下新型快速非線性跟蹤微分器(NHSTD)

( 1 )

式中:R、a、b大于零;β、γ為線性區調節參數

( 2 )

函數G(z)可以實現跟蹤微分器非線性區與線性區的光滑切換，使微分器(1)在遠離目標點時能夠迅速收斂，且接近目標點時無顫振現象。

由于在定位測速系統中，微分器需要處理的相位信號是離散數據，因此有必要給出微分器的離散形式。本文采用文獻[9]中提出的微分器離散方法。NHSTD的離散化形式為

( 3 )

式中:T為采樣時間；

u(k)=R2{aG(β[x1(k)-v(k)])-bG(γx2(k)/R)}

NHSTD不僅收斂速度快，同時還具有形式簡單、計算量小、精度高的特點，這對于對實時性要求較高的定位測速系統非常有意義。當對輸入信號進行跟蹤和提取微分時，由于時間尺度參數R為有限值，因此微分器的輸出相對于輸入存在時間延遲，見圖3。

文獻[10]針對τ未知的情況提出了一種基于微分器組的時延補償算法，消除τ的影響最終實現時延補償。本文即利用微分器組的方法實現時延補償。其框圖見圖4。

補償效果見圖5。

由圖5可見，采用微分器組補償算法，除了在初始階段由于初始點的選取問題導致補償后的輸出存在較大誤差外，其余時刻的補償效果非常顯著，最終輸出的補償跟蹤信號和微分信號與實際的輸入信號及其微分信號基本不存在時延。

3 過小接縫的信號濾波處理方法

3.1 鋸齒波處理

高速磁浮列車定位測速系統信號處理單元接收到來自相對位置傳感器的60°相角信號和齒槽數信號后將其轉換為360°磁極相角發送給牽引系統。跟蹤微分器能夠有效跟蹤頻帶范圍內的信號，對于超過頻帶范圍的信號迅速衰減。鋸齒波相角信號包含豐富的高頻諧波分量，且屬于有用的位置信號，對其濾波會不同程度造成波形失真，尤其是鋸齒波的下降沿部分將會被光滑處理[11]。

為避免這一問題的出現，將來自相對位置傳感器的60°相角信號和齒槽數信號進行融合，將其轉化為連續的斜坡信號，見圖6。

3.2 脈沖干擾信號處理

由圖6可以看出，雖可以將60°相角信號轉化為牽引系統所需的360°連續的磁極相角，但仍存在周期性的脈沖干擾。由于脈沖跳變均為60°左右，因此可通過簡單的邏輯判斷將其消除，見圖7。

3.3 濾波處理

在信號處理單元中，分別將兩路相對位置傳感發送的60°鋸齒波相角信號融合為連續的磁極相角信號，并采用上述邏輯判斷方法濾除相角信號與齒槽數信號不同步導致的脈沖干擾，然后利用上文提出的跟蹤微分器及其補償算法對其進行濾波，見圖8。

由于定位測速系統需要向牽引系統發送的是360°的磁極相角信號，因此對連續的融合相角信號進行濾波后需將其恢復成360°的鋸齒波磁極相角信號，方法是將濾波后的連續相角信號除以360°，取其余數即可得到鋸齒波信號。另外為了便于與原始信號對比，同時也將濾波后的連續相角信號恢復為60°鋸齒波相角信號，見圖9。

采用本文提出的新型跟蹤微分器及相應的補償算法對過小接縫的相角信號進行濾波，其濾波效果非常顯著。該方法不僅能夠對正常相角信號存在的干擾進行濾波，同時還能對過小接縫時嚴重畸變的相角信號進行恢復，可有效滿足高速磁浮列車牽引及運行控制系統對位置信號的精度及可靠性要求。

4 基于傳感器冗余的過大接縫切換算法

當相對位置傳感器過大接縫時，其輸出的相位信號存在嚴重的畸變和齒槽漏數現象。由于同一套定位測速系統包含兩個相對位置傳感器，二者安裝于軌道同一側，且相距3個完整的齒槽周期，大于接縫的最大寬度，保證了兩只傳感器在先后通過長定子軌道接縫時，不會同時受到影響。兩路相對位置傳感器過大接縫時，會依次出現齒槽漏數情況，可采用一定的傳感器冗余算法診斷出發生故障(或正在過大接縫)的傳感器，及時切換至另一路信號輸出正常的傳感器，并對錯誤的磁極相角信號進行修正，則能夠有效地解決傳感器過接縫問題。

4.1 傳感器故障診斷

將跟蹤微分器相應補償算法后得到的相對位置傳感器磁極相角信號預測值與當前時刻采樣值比較，計算其殘差，以此為依據對傳感器進行故障診斷，即可以確定哪一路相對位置傳感器發生故障。圖10為將鋸齒波信號融合為斜坡信號后，選取其中一路相角信號采用上述跟蹤微分器進行濾波，并計算其殘差后的濾波結果。

由圖10可見，采用微分器及相應濾波算法對過大接縫的相角信號進行濾波，其預測值與實際相角值的殘差在大接縫處最大，因此可以設置適當的閾值，當殘差大于該閾值時，可認為該路信號正在經過大接縫，啟動切換算法將相對位置信號自動切換到另外一路正常的信號即可。基于同樣的原理也可診斷出傳感器因其它原因導致的磁極相角信號計算故障。

4.2 切換算法

分別記p1(k)、p2(k)為兩路磁極相角信號，pf1(k)、pf2(k)為采用微分器及補償算法得到的兩路磁極相角預測信號，N1、N2分別為兩路信號的齒槽數，eT為殘差閾值，則過大接縫的傳感器切換算法流程見圖11。

按照系統接口通信協議，定位測速系統需向牽引系統提供周期性的磁極相角信號，因此完成過大接縫的傳感器切換后，仍需將連續的磁極相角信號還原為0～360°的鋸齒形磁極相角信號。最終得到的切換后的磁極相角信號見圖12。

由圖12可見，利用跟蹤微分器對相對位置信號進行預測，在過大接縫時能夠有效的實現相對位置傳感器的切換，并修正故障傳感器的相角信號。另外，由于跟蹤微分器具有較強的濾波能力，經過處理的磁極相角信號也更為平滑。

5 結束語

本文對高速磁浮列車過軌道接縫時相對位置傳感器位置、相角信號的畸變問題進行研究。根據當前一些跟蹤微分器的特點，采用一種新型全程快速跟蹤微分器，該跟蹤微分器具有結構簡單、精度高的特點。利用該微分器對相角信號進行濾波，能夠有效的解決傳感器過小接縫的信號畸變問題；同時對相角信號進行預測，能夠準確的判斷出過大接縫時傳感器的故障，實現雙傳感器的切換，最終解決過大接縫的信號畸變問題。

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