基于跟蹤微分器的磁浮列車定位測速系統(tǒng)信號處理問題研究

竇峰山， 何洪禮， 謝云德， 何 寧

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)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(jié)合的定位測速技術(shù)在列車運(yùn)行控制中起到了關(guān)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(dǎo)體面為一個不連續(xù)的檢測面，破壞了傳感器線圈在軌道上方運(yùn)動時的電感分布規(guī)律，增加了定位測速系統(tǒng)的檢測難度[3-4]。當(dāng)相對位置傳感器經(jīng)過接縫時，其輸出信號將產(chǎn)生畸變，畸變的信號會影響牽引系統(tǒng)正常工作，有可能導(dǎo)致牽引設(shè)備過流或過壓保護(hù)，甚至是燒毀牽引設(shè)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(chǎn)生的影響，解決定位測速系統(tǒng)的過接縫問題。

目前，定位測速系統(tǒng)是在磁極相角處理單元(PRW)中采用自適應(yīng)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(yīng)濾波方法需要大量的歷史數(shù)據(jù)，計算復(fù)雜，對處理器的存儲空間和運(yùn)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(yīng)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(yùn)動時，受長定子齒槽結(jié)構(gòu)的影響，磁路的等效磁阻發(fā)生周期變化，相應(yīng)的傳感器線圈的等效電感發(fā)生變化，通過檢測線圈的電感變化，從而準(zhǔn)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(jīng)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(dǎo)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(fā)生畸變，齒槽數(shù)仍是正常的，因此只需將其當(dāng)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(fā)生齒槽數(shù)漏數(shù)，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(dá)接縫，然后采取一定的措施消除畸變和修正齒槽數(shù)。

2 新型跟蹤微分器建模

根據(jù)實際需要設(shè)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(qū)調(diào)節(jié)參數(shù)

( 2 )

函數(shù)G(z)可以實現(xiàn)跟蹤微分器非線性區(qū)與線性區(qū)的光滑切換，使微分器(1)在遠(yuǎn)離目標(biāo)點時能夠迅速收斂，且接近目標(biāo)點時無顫振現(xiàn)象。

由于在定位測速系統(tǒng)中，微分器需要處理的相位信號是離散數(shù)據(jù)，因此有必要給出微分器的離散形式。本文采用文獻(xiàn)[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(tǒng)非常有意義。當(dāng)對輸入信號進(jìn)行跟蹤和提取微分時，由于時間尺度參數(shù)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(xiàn)[10]針對τ未知的情況提出了一種基于微分器組的時延補(bǔ)償算法，消除τ的影響最終實現(xiàn)時延補(bǔ)償。本文即利用微分器組的方法實現(xiàn)時延補(bǔ)償。其框圖見圖4。

補(bǔ)償效果見圖5。

由圖5可見，采用微分器組補(bǔ)償算法，除了在初始階段由于初始點的選取問題導(dǎo)致補(bǔ)償后的輸出存在較大誤差外，其余時刻的補(bǔ)償效果非常顯著，最終輸出的補(bǔ)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(tǒng)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(shù)信號后將其轉(zhuǎn)換為360°磁極相角發(fā)送給牽引系統(tǒng)。跟蹤微分器能夠有效跟蹤頻帶范圍內(nèi)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(xiàn)，將來自相對位置傳感器的60°相角信號和齒槽數(shù)信號進(jìn)行融合，將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)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(zhuǎn)化為牽引系統(tǒng)所需的360°連續(xù)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(fā)送的60°鋸齒波相角信號融合為連續(xù)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(shù)信號不同步導(dǎo)致的脈沖干擾，然后利用上文提出的跟蹤微分器及其補(bǔ)償算法對其進(jìn)行濾波，見圖8。

由于定位測速系統(tǒng)需要向牽引系統(tǒng)發(fā)送的是360°的磁極相角信號，因此對連續(xù)的融合相角信號進(jìn)行濾波后需將其恢復(fù)成360°的鋸齒波磁極相角信號，方法是將濾波后的連續(xù)相角信號除以360°，取其余數(shù)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(xù)相角信號恢復(fù)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(yīng)的補(bǔ)償算法對過小接縫的相角信號進(jìn)行濾波，其濾波效果非常顯著。該方法不僅能夠?qū)φＯ嘟切盘柎嬖诘母蓴_進(jìn)行濾波，同時還能對過小接縫時嚴(yán)重畸變的相角信號進(jìn)行恢復(fù)，可有效滿足高速磁浮列車牽引及運(yùn)行控制系統(tǒng)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(dāng)相對位置傳感器過大接縫時，其輸出的相位信號存在嚴(yán)重的畸變和齒槽漏數(shù)現(xiàn)象。由于同一套定位測速系統(tǒng)包含兩個相對位置傳感器，二者安裝于軌道同一側(cè)，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(xiàn)齒槽漏數(shù)情況，可采用一定的傳感器冗余算法診斷出發(fā)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(jìn)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(yīng)補(bǔ)償算法后得到的相對位置傳感器磁極相角信號預(yù)測值與當(dāng)前時刻采樣值比較，計算其殘差，以此為依據(jù)對傳感器進(jìn)行故障診斷，即可以確定哪一路相對位置傳感器發(fā)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(jìn)行濾波，并計算其殘差后的濾波結(jié)果。

由圖10可見，采用微分器及相應(yīng)濾波算法對過大接縫的相角信號進(jìn)行濾波，其預(yù)測值與實際相角值的殘差在大接縫處最大，因此可以設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?，?dāng)殘差大于該閾值時，可認(rèn)為該路信號正在經(jīng)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?；谕瑯拥脑硪部稍\斷出傳感器因其它原因?qū)е碌拇艠O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(bǔ)償算法得到的兩路磁極相角預(yù)測信號，N1、N2分別為兩路信號的齒槽數(shù)，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(tǒng)接口通信協(xié)議，定位測速系統(tǒng)需向牽引系統(tǒng)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(xù)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(jìn)行預(yù)測，在過大接縫時能夠有效的實現(xiàn)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(qiáng)的濾波能力，經(jīng)過處理的磁極相角信號也更為平滑。

5 結(jié)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(jìn)行研究。根據(jù)當(dāng)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(jié)構(gòu)簡單、精度高的特點。利用該微分器對相角信號進(jìn)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(jìn)行預(yù)測，能夠準(zhǔn)確的判斷出過大接縫時傳感器的故障，實現(xiàn)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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