（控制科学与工程专业论文）高速磁悬浮列车间隙传感器工程化技术的研究.pdf

摘要 高速磁悬浮列车具有速度快、能耗低、噪音小、安全舒适等优点，适合城市之 间的快速客运需求，它是一种新型的交通工具。悬浮系统是高速磁悬浮列车的关键， 而其中的间隙传感器则是悬浮系统的重要组成部分之一。围绕高速磁悬浮列车的间 隙传感器工程化问题，本文主要研究了温度漂移、通讯接口以及装配维护过程中遇 到的故障定位等技术。 首先，针对间隙传感器工作环境温度变化较大的情况，本文对间隙传感器温度 漂移现象进行了分析，认为检测线圈电阻和检波电路参数变化是造成传感器温漂的 主要原因，建立了检测线圈的数学模型，提出了检测线圈和检波电路综合补偿方法， 解决了间隙传感器的输出信号温度稳定性的问题。 针对磁悬浮列车，对间隙传感器与悬浮控制器之间通讯接口的实时性和可靠性 高要求特点，本文还设计了多路r s 一4 8 5 串行异步通讯接口，每路通道传送一路数据， 各路通道之间相互冗余，满足了系统对实时性与可靠性方面的要求。由于间隙传感 器工作区域的电磁环境复杂，干扰源比较多，可能会造成通讯失败。文中对通讯可 能造成的干扰进行分析，并提出了相应的解决方法。 除此之外，由于间隙传感器的结构较复杂，电路使用的元器件众多，且磁悬浮 列车所用间隙传感器的数量大，在使用过程中难免会出现故障，因此造成维护工作 量大，检修过程中的故障定位时间长，维护费用高等问题。本文对间隙传感器进行 故障建模，找到间隙传感器中的薄弱环节，针对这些薄弱环节设计了间隙传感器的 b i t 故障检测系统，最后通过实验对系统进行了测试，提高了维护的效率。 关键词：高速磁悬浮列车、间隙传感器、温度漂移补偿、串行通讯、b i t 检测、 故障定位 国防科学技术人。t i j 究：l 院学位沦文 a b s t r a c t a san e wv e h i c l e ，h i g h s p e e dm a g l e vv e h i c l e ( h s m v ) h a st h ea d v a n t a g eo fh i g h v e l o c i t y ，l e s se n e r g yc o n s u m i n g ，l o w e rn o i s e ，s a f e t y a n dc o m f o r t ，a n di sf i tf o r h i g h - s p e e dt r a n s p o r t i nh s m v , t h el e v i t a t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e ，a n dt h e g a ps e n s o ri sa l s oc r i t i c a l i no r d e rt os o l v i n ge n g i n e e r i n gp r o b l e mo ft h eh s m v - g a p s e n s o r ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et e m p e r a t u r ed r i f t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n df a u l t l o c a t i o nt e c h n i q u ed u r i n gt h ec o u r s eo fa s s e m b l ya n dm a i n t e n a n c e f i r s t l y , t h et e m p e r a t u r ev a r i e si nal a r g er a n g ei nt h ep l a c ew h e r et h eg a ps e n s o r w o r k s ，s ot h i sp a p e ra n a l y z e st h et e m p e r a t u r ed r i f to fg a ps e n s o r , a n df i n d so u tt h a tt h e m a i nr e a s o n sw h i c hr e s u l ti nt e m p e r a t u r ed r i f ta r et h er e s i s t a n c eo fd e t e c t i n gc o i la n d d e m o d u l a t i n gc i r c u i tp a r a m e t e r s t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，ap r a c t i c a ld e s i g no fd e t e c t i n g c o i li s g i v e n ，a n d a c o m p e n s a t i v em e a s u r ec o n s i d e r i n g t h e d e t e c t i n g c o i la n d d e m o d u l a t i o nc i r c u i ti sp r o p o s e dt oi m p r o v et h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fg a ps e n s o r d u et o h i g hs p e e d o ft h em a g l e v , i td e m a n d sr a p i d i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e ng a ps e n s o ra n ds u s p e n s ec o n t r o ls y s t e m t h u sa m u l t i s e r i a la s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do nr s - 4 8 5i s d e s i g n e d i t t r a n s m i t so n es i g n a lo ne a c hu n a t t a c h e dc h a n n e la n dh a sr e d u n d a n ts t r u c t u r e w h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n to fr a p i d i t ya n dr e l i a b i l i t y t h eg a ps e n s o rw o r k si nac o m p l e x e l e c t r o m a g n e t i s mp l a c ea n d t h e r ei sm u c hd i s t u r b a n c e ，s oi ti s l i k e l y 协r e s u l ti n c o m m u n i c a t i o nf a i l e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i s t u r b a n c ew h i c hm a yf a i lt h e c o m m u n i c a t i o n ，a n db r i n g sf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gr e s o l v i n gm e t h o d 。 m o r e o v e r ，d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h es t r u c t u r eo fg a ps e n s o r ，i ti se a s yt ow o r ko u t i nt h ec o u r s eo fu s i n g b e c a u s eo ft h el a r g en u m b e ro fg a ps e n s o r , t h es e r v i c ew o r k l o a di s v e r yl a r g e ，a n dt h ef a u l tl o c a t i o nn e e d sal o n gt i m e ，a n dc o s t st o om u c h t os o l v et h e s e p r o b l e m s ，t h i sp a p e rg i v e st h eg a ps e n s o r , sf a u l tm o d e l ，f i n d so u tt h ew e a k n e s s e s ，a n d d e s i g n sab i tf a u l td e t e c t i n gs y s t e mw h i c hi s t e s t e db ye x p e r i m e n t ，i m p r o v i n gt h e m a i n t e n a n c ee f 鑫c i e n c y 。 k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm a g l e vv e h i e l e ( h s m v ) ，g a ps e n s o r , t e m p e r a t u r ed r i f t c o m p e n s a t i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，b u i l t i nt e s t , f a u l tl o c a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直蔓焦翌到主闺睦篮感墨王堡垡茧盎曲珏壅 学位论文作者签名： 运系。日期：。5 年，7 月功日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 直建盛翌到主回睦篮盛墨王堡焦技盔鲍丛童 学位论文作者签名： 兽采 作者指导教师签名：。叁二：! ! ： 日期：2 0 砖年 日期：加t - 年 日 日 冲7 月 月 吖r 里坠垒兰! ! 垒：垒兰竺堑竺坚兰：堡篁三 第一章绪论 本童首先介绍高速磁悬浮列车的发展历程与国产化的背景，在此基础上阐述了 问隙传感器工程化意义及其所需解决的主要问题，综述了间隙传感器工程化过程中 所需解决的齿槽效应、温度漂移、检测线性度、电磁噪声、数学特性、通讯、故障 定位等问题，最后概括介绍了论文的主要研究内容。 1 1 课题的来源与意义 1 1 1 常导高速磁悬浮列车及其悬浮导向系统的概况 常导高速磁悬浮列车是一种新兴的交通工具，它克服了传统轮轨列车提高速度 的主要障碍，运行时速可达5 3 0 公里，适合予城际之间的交通运输。如图1 1 所示， 与轮轨列车不同，常导高速磁悬浮列车采用电磁力实现车体与轨道之间无接触的支 承、导向和驱动，使车体始终沿着轨道作无接触的“零高度飞行”，解决了轮轨列车 受黏着力约束提速受限的难题。 闰1 1 常导高速磁悬浮列车与轮轨列车的支承、导向和驱动原理 图1 2 常导高速磁悬浮列车转向架与定子轨道的机械结构圉 图1 2 常导高速磁悬浮列车转向架与定于轨道的机械结构图 第l 页 幽防科学技术火学研究，：院辱位论文 图i - 3 露导蔫速磁悬浮剐车车辆与孰邋燕系 常导高速磁悬浮列车车辆、转向架以及定子轨道的机械结构如图l ，2 、1 3 所示， 转自絮土安装有悬浮迤磁铁移导淘魄磁铁，逶遥控番悬浮毫磁铁产生z 方向静激磁 吸力将列车浮起，控制导向电磁铁猩y 方向产生与轨道之间的引力使车体与轨道保 持一定懿铡囱距离，剩强交滚嚣步藏线毫橇( l i m ) 掇餐x 方囱豹牵雩| 或联动力，骤理 与交流同步旋转电机工作原理基本相似，只是同步赢线电机的转子为置于列车底部 赘壹滚激爨磁掇( 秘豢漉电磁铁) ，定予巍浍藩线路辕灌铺竣熬三楼定子绕缝，设爨在 地面上的变频设备可以分段给定子绕组供电。当三相绕组通入对称三相正弦电流时， 在气黢孛授影成牙波磁场，警磁场是够丈辩爨寝孳| 转子瑟使残车戳同步速度毒亍教， 行波磁场的频率越商，列车运行的速度越大，从而驱动列车在轨道上实现零高度飞 行。 问隙传感器 图1 4 常导商速磁悬浮列车悬浮控制系统 离速磁愁浮列车既然是一种在零高度淞轨道飞行的高速交通工具，它的核心按 第2 甄 豳防科学技术入学研宄7 引玩学位论文 术之就足，在任何运行条件卜车辆都能维持稳定的悬浮气隙，b j 在从静止到运行、 不阉的环境瀵度、大风、藤霉天气等事主嚣下，裁螫缝正攀进行悬浮导自。毽此扶这 点上糟，悬浮导向系统是高速磁悬浮列车的核心。其中，悬浮控制系统如图卜4 所 示，每套控制逢鼹出2 个阉骧测量蘩元、1 个数字控制嚣、1 个赣波器以及电磁铁组 成，每套电磁铁控制器各自安装在每个悬浮框上，每套电路各自控制个电磁铁的 一半。悬浮控截系统摄据阕隙测量攀元提供鲍闯涨信号，来调整列车的悬浮毫发。 只有间隙传感器为控制器提供准确、可靠的间隙信号，列车才能实现稳定可靠的悬 浮气隙，因此悬浮间隙的测燕是高速磁悬浮歹车之中的羹中之重，所以阕隙传感器 是悬浮控制系统中的莱键部件之一。 1 1 2 高速磁惹浮捌车国产纯豹鹜荣与意义 我国南j e 长5 2 0 0 k m ，拳疆长5 5 0 0 k m ，地广入多，潮个直辖市和各个省会城市 之间的直线平均距离达1 4 0 0 k m ，以d b 京为中心的2 0 0 0 k m 范围内覆盖了我国大部分 静经济发达魏医，奁国家经济侠逮发展的今天，我国需簧发震商速度、大运量的交 通系统来满足物流、人流的需求。日前在发达国家，高速交通系统的发展模式钠美 国模式释欧渊模式等。美国模式是簸空翔离速公路，鄯逶距离豹交逶磙靠航空，较 近距离则依靠高速公路，但是该方式严重依赖石油供给。欧洲模式是高速轮轨铁路 疆模式，它的商速轮辘列车最高辩速霹敬遮到3 0 0 k m h ，由于欧溯国家黼土面积较 小，在这种模式下，国内城市之间的花费时间基本上不超出三个小时，当日可以实 现往返，己缀溃是了貉滚、久滚豹黎求，受蓬速度戆需求没骞繁遥住。嚣上述疆耱 模式在我国则不大适合，既臻必须发展时速达到4 0 0 5 0 0 k m h 高速交通，同时又可 以摆黢慰夏演资源懿严重依羧，这榉簌这勰患上蠢，裹邃磁悬浮列车毙较楚合我髓 的需求，另外高速磁悬浮列车轨道怒高架的结构，能够减少对土地资源的占用，适 合我黧有效建资源紧张瓣强媾。 基于上述考虑，上海从德国引滋t r 0 8 高速磁悬浮列车技术，已经在龙阳路地 铁站黧溱东嚣器极场建设了繁一条瘫速磁爨浮铁鼹，曩懿运霉状提建姆。瞧该线熬 主要技术及设备均靠引进，对于中阑这样一个泱泱大国，如果要发展自融的高速交 避，必须要打破长期大援模馕赖匿鳋的局甏，因此强家非常重视黧产化阏题，基藏， 车厢、弹簧隰尼结构构成的二次系、线路和轨道等机械结构与硬件电路，这些方面 我国静基础雄厚，已经基本实现国产化，毽是核心部分技术，它们番不觅、摸不着， 基于商业利益，德国方面不可能公歼相关技术资料，也无法通过技术转让方式获得， 尤其是悬浮导囱控制系统的技术，它是高速磁悬浮列车中的核心之核心。所以纂本 核心技术必须靠自己来研究和攻关，正如温家宝总理在2 0 0 5 年3 月2 8 掰科技成果 颁奖会上指出的：真正的核心技术是买不来的，只娆靠我们自己的创新磺究来解决。 第3 氟 幽防科学妓术人学矾冗生院。引、r 沦文 因此圈家“十五”8 6 3 计划把“高速磁悬浮交通系统技术国产化与创新研究”列入 交运领域重大专项秘究，国产伲弱嚣鑫穹就怒蠢望籁次高速磁悬浮别莩中的核心技术， 能够掇高我豳的技术水平和现代化程度，间时能够带动圈内相关产业的发展，最终 真正实现垂主的毫遮交通系绫。 本课题来源于“十五”8 6 3 计划交通领域重大专项“高速磁悬浮列车技术国产 他及倒叛技术磅究”中靛“车辆悬浮导囱及涡流铡动控制系统磷铡”顼疆。 1 2 阕睬抟感器羔程纯掰蘧瞧的溺避 1 。2 1 间隙梭测方式的选敬及基举正作原瑷 磁悬浮列车高速运行时，车锩与轨道之间没商任何机械接触，这就决定了间隙 传感器的间隙测量方式必须是非接触的，同时由予高速磁悬浮列车是工作在野夕 环 境当中，因此悬浮阍隙传感器必须麓够适成多种环境，那么在菲接触测蘑的光电、 红外、电涡流等主要方式中“1 ，电涡流方式比较邋合几毫米到几叶“毫米的测量范围， 它不受环境因素限制，不受天气和环境情况影响，在被测导体表面多尘、潮湿等情 况下都可以正常工作，因此被常导磁悬浮列车所广泛采用，本文所研究的间隙传感 器就怒采甭魄涡流裣测方式。 电涡流传感器是电感式传感器的一种，它没脊封闭的磁路，电磁场是面向被测 导体半开放豹。交流信号滚通道检测线霞发射到空闽中，被测警体受该磁场影响， 在导体中产生涡流，涡流大小与被测导体的物理特性、几何尺寸以及检测线圈之间 的阉辍有关。涡流程被涮导体中存在趋获效应，麓获深藏与激励频率鸯关。穰掇激 励频率大小，电涡流传感器又分为低频透射式和高频反射式，前糟多用于厚度检测， 螽者鹣瘟矮燮为广泛。 国1 * 5 裹额反射式电涡流传感器匿攥 第4 砸 刚防科学技术人1 引叭j t 生境伽：沦文 本文研究的间隙传感器属于高频反射式，原趔如图1 - 5 所示。检测线圈高频电 磁场纛俸鼹在被测导体表蘑，趋肤效应筵缮夔不筑穿过学体，仅馋曩在等俸的表垂， 涡流磁场以跟硪方向相反，导致等效电感变化，髓等效电感与间隙占为一一对应关 系。髓黄5 憋变化，检溅线圈竣出瞧量发生变佬，经检波、滤波释售号处理螽褥至 传感器的输出。 根据检测线圈接入方式不同，俺感器测量方式可分为调频调蠛式弱瞧频调蠛式。 检测线圈接入振荡电路中，等效电感的变化导致振幅和频率都发生变化，根据测量 电量购不同，可以遴一步缨分。取感电量为赢频镲号的搬嚷时，朝为调频调堰妓传 感器，取出电薰为频率时，称为调频式传感器。当传感器由稳定频率的高频信号源 提供激励，捡测线爨与并联电容韦句成并联谐振电路，幸乍为受载躐分压电隧串联在一 起，此时，佟感器的工作频率不变，取出线圈两端电压为测量值时，称为恒频调幅 式传感器。这三种测量电路中，从稳定性纛，调蠛式电路必最佳，主要灰于调幅式 采用了石英晶体振荡器，振荡频率院后两种测量电路采掰的电容三点式振荡器鼹稳 定些，由于频率不够稳定引起的输出量的变化将会更小一蝗；从灵敏度来看，调频 谲辐式冼其它强种要离；飘灏量线健范磁来看，调频诵幅式略强予调幅戏；雨调频 式的绻构简单，便于遥测、数字显示和与单片机接口连接o “。 1 2 2 间隙传感器工程化所需要解决的问艨 电涡流传感器具有非接触测量、动态响应范围宽、适应性好等特点，广泛威用 于疆多露韭，翔金属誊孝精翳涎攘检测，实辩系统中豹位移测量，孛孥爨是接簸溺曩。 由于离速磁悬浮列车的长定子轨道鼹具有齿槽结构，并且安装空问有限，且温度和 篷磁琢壤卡分复杂，蓉逶电漏滚转感器不麓满是菇速磁惹浮爨车戆溷豫稔测要求， 因此设计相成的间隙传感器，并且将其工穰化。 惑速电涡流闽藩传感器工程纯主要瑟旗以下些难熹：撬莲疆慈应熬捡灏线霾 设计：温度漂移的抑制；检测线性度：电磁噪声的抑制；动态特性测试；通讯接口 的设诗：鼓黪定位月题等。下瑟垮一一奔缓。 ( 1 ) 齿槽效应 懋浮电磁铁、间隙传感嚣、长定子孰邀位置关系如图1 - 6 艨示，可以番基耀骧 传感器检铡线圈嵌套在电磁铁磁极之问，检测线圈平面正对着齿槽周期交错的长定 子表磁，悬浮闻隙是撂传感器检测线圈与长定子齿藤之闻豹闻黢，但是当捡溅线霞 对应长定子轨道的齿戚槽的不同，线圈的等效电感会有所不同，导致传感器输出表 现有周期的纹波扰动。所以即使悬浮间隙健感器与长定予极嚣之闻鲍闻豫保持慷定 不变，只要间隙铡量的检测线圈与长定子轨道之间在列车的行进方向上肖变化，传 感器的输出信号就会液现为与齿槽规律性棚关的波动信号，定义这秘与长定子迭罐 第5 页 潮瞻辩学技术大学磷究玺陵学傍论曼 周期相关的波动为齿横效应。卷横效应若是无法真效遏制，那么懋浮控制系统将无 法分辨该扰渤是南于齿槽引起的，还是悬浮气豫在正常调艇过程中所引发的，最终 将导致车体振荡。 篷1 - 6 悬浮电磁铁、闻隙佟薅嚣、长定子轨邋链置关系 ( 2 ) 温度漂移 如图1 6 所示，闻陈梅感器嵌套安装褒电磁铁磁摄线黼之闻，车体懋浮和运幸亍 时，悬浮电磁铁容茹发热，特别在静止状态下，电磁铁的散热条件差，温升快，电 磁铁容荔将熬量转遴绘藕豫搀惑器。两在列车运季亍获态下，鑫予巍然氯冷辩悬浮露 磁铁降温，因此随着工作状态不同，间隙传感器所处环境温度一点在变化。其中， 闻泼铸感嚣戆捡溺线霾彝检波电路殇为搂羧奄薄，温度稳定涯不磐，特裂是检渊线 圈，长时间工作表面温度可以达到8 5 。c ，因此在大温差环境下，温度变化使传感器 懿竣蝰漂移爨不确定。经避实验，农不骰 壬褒 接瓣，检测线夔在0 8 5 。c 蓖匿蠹工 作，漂移量可以达到测量范围的8 0 。因此，间隙传感器必须减少温度漂移，提高 闻熬辕出的猿定性。 ( 3 ) 线性度 为了满足控制系统的需要，要求间隙健感器输入、输出信号之间必须是线性关 系，但间隙传感器中悬浮间隙石与梭测线圈等效电熊三之间是非线性关系，因此需要 进行线性他处理。目前针对线性度的改善措施主要巍硬件补偿和软件补偿两种方法， 硬镣箨偿楚遇过增翱各种校正电路来减，j 、健懑器饕线性特健，从褥清除了非线槛误 差；软件补偿是通过函数拟合的办法来有效减小信号中的非线性误差，进而提高传 惑嚣豹准确霾”。 ( 4 ) 电磁干扰问题 悬浮逛磁铁帮长定子之阕裰蔓终爝，疑实瑶熬浮磅麓，又实蠛妻线穆避，在爨 浮间隙空间内存在着在多种强磁场，其强度、频率差异比较大。这些磁场对间隙传 第6 煲 籍麓秘学技幂大学辨露生陵学侮论文 感器柬讲是一一种电磁干扰，它们主要青： 牵引行波磁场干扰：加速阶段长定子绕组电流高达1 2 0 0 a ，惯性运行阶段电流 为7 0 0 a 左右“。定子电流产生很强的行波磁场，行波磁场基波分量与车体运行速 度榻同，没有切害l 稳测线瀚，不会造成电磁干扰，但是英黼次谐波，特剐是5 、7 次 谐波振幅比较大，切割检测线圈会产生比较大的电磁干扰： 惑浮磁场干撬：悬浮毫磁铁起浮电流约为8 0 a ，额定闷豫惹浮对稀磁电流约为 3 0 a 。非理想情况下，悬浮磁场为脉动磁场，其3 、5 次谐波切割检测线圈产生噪声。 裁磁毫滚奎凌李赣波器提镶，赣波缓率为1 0 k h z 2 0 k h z ，该踩洚予莸也邋过磁场耦 合传递给间隙传感器； 鞋土因素导致溺黢转麟器静电磁骂缝菱杂，频率覆萋莲藿宽，羞不激取措藏， 可能会导致间隙传感器无法正常工作，因此需要对其进行抗电磁干扰技术研究，提 高间隙传感嚣的电磁兼容馕。 ( 5 ) 动态特性测试 间隙传感器的动态特性关系到控制系统的动态跟踪能力，在麓速条侈下，动态 响成延迟较大时，间隙传感器能否实对跟踪轨道荧系到行车安全，同时，高速条件 下，悬浮控制系统对传感器的茵槽效应更为敏感，所以，分辑其动态特性以及齿攮 效艨与速度豹关系怒非常耋簧韵，潮笾必须提高辩陈传感器的动态特性。 ( 6 ) 通讯系统的实时性与可靠性 在磁悉浮列车运行遂毯中，阗辕傣惑器瘸予羧测确军的悬浮阕豫、遮 亍速痿和 垂向加速度，并将两路间隙信号、一路速度信号、一路加速度信号和一路故障信号 提供绘悬浮控翻器，悬浮控程器稷瓣这些髂号对麓车戆悬浮窝豫、运 亍速痍帮垂囱 加速度进行调整。由于高速磁悬浮列车运行速度快，最高时速达5 3 0 k m h ，因此要 求闼羧筵感器与悬浮控赵嚣之阕戆遥逐速率抉，实露蛙妊；霹时逶谖接搿中套路遴 道不能出现故障，否则造成通讯失败或者通讯误码，使悬浮控制器误操作而导致列 车程嵩速情况下失去控制，将造戏严重磊祭，因此蔡求健感器与羧凝器之超粒遗滚 的可靠性高。 ( ? ) 故障定位 高速磁悬浮列车中间隙传感器数量大，并且擎个间隙俦感器电路结构复杂，包 含大量的元器件和集成电路芯片，同样元器件的不同生产批次性能上有可能存在蓑 羽，或者在矮量筛逸过程中也难免会存在纰漏，奁批量生产时，这些因素会对间隙 传感器的一致性和电路的可靠性造成影响。另外程间隙传感器的调试、装配过程中 搡傺不当也存在故障隐恚，一旦闻簸传感器出现敲障，需鼗大量的时闰来检测敌辕 原凶，故障定位工作量大，导致维护费用离。因此霈要建立完善的故障诊断体系， 难瓣潦抟惑嚣系统德行毂簿诊断，并实瑗凌麓懿数障定整。 第7 夏 堡堕墼兰基茎奎耋塞窒竺堡童篁竺奎 1 2 3 本文豹磅究阀题及葵共缝技寒匏磷究现状 经过本课题组成员的共同努力，已经勰决了摭齿槽效应、捡测线性发、动态特 性测试、挠电磁干扰等问题，撮摧高速磁懋浮列车间隙传感器工程化的爰求，需要 对激度漂移、通讯接口、故障定位等问题避行研究。本文主要将针对这些问题进行 研究，国内外相关技术的研究现状如下。 1 2 。3 。1 溢疫漂移豹探铡 毽频调耀式奄溺流转戆器漫囊漂移疣较大。葵瀣菠漂移主要寒謇予捡涮缓潮阻 抗漂移和处理电路参数漂移。1 1 _ “，温度漂移补偿主要措施有以下几个方面。 ( 1 捡测线曩差分羚髅 增加与检测线圈规格致的补偿线圈，使补偿线圈的阻抗只随着温度改变，不 睫阑隙变化丽变化，这样鼹线圈输出差分震就霹以消狳湿度漂穆。j u r g e nm e i n s b a l d h a m “”“”3 在检测线圈底部增加正交补偿线圈，m u h a m m a da k b a r “8 3 也采用类似 的方法来实现检测线圈的溆度补偿，文献“”利用补偿线圈与检测线圈构成挢式电路， 两线圈分别接在轿式电路的两个对称桥臂上，取轿臂抽头之间的电压作为输出。 ( 2 ) 检测线圈自补偿 检测线鞠隧抗的温度菇敏度和闻陈灵敏度与稔溺线淄材料豹物理特靛和线潮几 何参数有关，因此，可以邋过选取合适的材料和线圈几何参数减小温度灵敏度，增 燕鬻臻灵敏度”“。离菝电流激聚下，捡鬟l 绫盈趋簸效应零| 起翡交漉电阻涤度漂移是 主要原因，为了减小电阻对线圈阻抗的影响，多采用多股细线并绕的方法减小交流 电戮，麴铡温度漂穆“3 ，8 ”。文麸“1 汹1 迸一步撂骥除了委滠度系数懿憝获效痊交流 电阻外，还有邻近效应引越的负温度系数变流电阻，可以通过优化线圈参数可实现 两者之闯熬叁於偿。 ( 3 ) 电路参数补偿 健感嚣电路参数会睫饕湿度变化发生漂移，参数漂移继蠢导致赣缝漂移，其滠 度漂移抑制措施主瑟有电路差分补偿和负葳馈补偿。电路篾分补偿是指传感器电路 由两部分维成，这鼯部分电路结梅稠参数冀全一致，面补偿电路的竣入为固定偏移 董，或由补偿线翻掇供固寇偏移量，两部分电路的差分输出能够减少电路参数变化 的影响，这种方法在很多仪表设备的处理电路中采用1 “1 ”。嬲一个常用方法是 负爱馈补偿，该方法针对电路部分环节易发生漂移的参数，丽该环节无法利用差分 电路来补偿，就通过负反馈方式来稳定该参数。 ) 建立溢疫模型窝算法静偿 传感器输出是被测量和温度的函数，可以通过分析或实验建立传感嚣输出与多 戮薪丰毒学技零大掌辑蔸生陵掌位绝又 参数之间的数学模型，根据数学模溅进行算法补偿。p a s q u a l e a r p a i a ”提f _ l 剥用人工 神经网络( a n n ) 建立了多输入参数与输出之间的非线性模型，同时对差分电路、单 干扰参数和多千扰参数a n n 模型进彳亍了实验对比分析，认为a n n 补偿适合输入参 数之间相关时的温度漂移补偿。 1 ，2 。3 2 遴讯方式瓣选取 抟惑嚣秘悬浮攘裁器豹整理爨罄是d s p ，d s p 蕊冀与静豁掌耀酌逶禳接蠢主要 可分为串彳亍通讯口和并行通讯口。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特 别怒在远程铸簸对，避免了多条线路特蛙鳇不一致缺赡藤棱广泛溪嗣。农奉行邋谖 时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使用不同的设备之间可以方便地连接和通 讯。霞用的串行通讯接口有c a n 总线、r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 憨线接弱等。 ( 1 ) c a n 总线 c a n 总线是德阑b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的投毒i 与测试 仪器之闻静数据交羧而开发的一种串行数据通讯协议，它是一种多主总线，通讯介 质可以是双绞线、间轴电缆或光导纤维，遥讯速率可达l m b p s 。c a n 总线通讯接口 中集成了c a n 协议豹耪理瑟署疆熬獭链路法耱能，蜀完或对遵讯数据的成赖处理，包 括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。c a n 协议的一个最 大将患是废除了俦绕懿蘑媲蛙臻码，磊代之潋黯遴谖数擐浃遴行编码。袋蒲这季孛方 法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 垃二送裁数缀残，羧髭霹淤定义2 1 1 或2 2 9 令不溺懿数撵块，这耱按数攒块编鹃静 方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布斌控制系统中非常 有崩，数据段长度焱多为8 令字节，露满跫逶豢王、韭领域申控裂零令、工终状态及 测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通讯的 实时性。c a n 协议采用c r c 检验赞可提供相应躺错误处理功能，保证了数据遭谖 的可靠性。c a n 卓越的特性、极高豹可靠瞧和独特的设计，特别灞合工业过程监控 设备的互连。 ( 2 ) r s 。2 3 2 总线 r s 一2 3 2 c 接口( 又称e i a r s 2 3 2 一c ) 是目前最常用的一种串行通讯接口。它是 在1 9 7 0 年赉美国泡子工业协会( e i a ) 联念癸尔系统、调制解谲器厂家及计算麓l 终 端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的仝名是“数据终端设备( d t e ) 和 鼗蠢逶谖竣器( d c e ) 之闻率暂二遴裁鼗搭交换接麓技术标准”该标准裁定莱矮令 2 5 个脚的d b 2 5 连接器，对连接器的每个引脚的信号内窖加以规定，还对各种信弓 麴瞧平宓羹戳艇定。 接口的电气特性在r s ，2 3 2 c 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即： 第9 舞 摺骑辩学技术大学错究生燕学位论文 逻辑“1 ，51 5 v ：逻辑“0 十5 + l5 v 。噪声容限为2 v ，即臻求接收器能识别 低至+ 3 v 的信号作为逻辑“0 ，高刘3 v 酌信号作为逻辑“i 。 传输电缆长度由r s 2 3 2 一c 标准规定在码元畸变小于4 的情况下，传输电缆长 度成为5 0 英尺，其实这个4 的码元畸变怒很保守的，在实际应掰中，约有9 9 的 用户是按码元畸变1 0 2 0 的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过5 0 英 足。 ( 3 ) r s ，4 8 5 总线 r s 一2 3 2 蠡冬接掰信号毫平蓬较态，荔损坏接翻毫臻黪蕊片，又嗣为与t t l 魄平 不兼容故需使用电平转换电路方能与t t l 电路连接；传输速率较低，在异步传输时， 波黪率先2 0 k b p s 犊日镬耀一校镶号线羁一攫售弩返回线瑟梭残莛逮豹接臻形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱：传输距离有限，最大传输 距离标准僵必5 0 英尺，实际工佟僚猛下也只能用在5 0 米炭右。 针对r s 一2 3 2 一c 的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，r s 一4 8 5 就是其 中之一，r s - 4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器_ 寒驱动憨线，它爨 有以下特点： r s - 4 8 5 的电气特憔：逻辑“1 以两线闻的电压差为+ ( 26 ) v 表示；逻辑“0 戳两线阚豹电筮差为- ( 26 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 。c 降低了，就 不易损坏接口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路 连接g r s 4 8 5 的数据最高传输速率为10 m b p s ； r s * 4 8 5 接麓是采爨平餐驱韵器耘差分搂浚器懿缀合，抗装搂于靛力增强， 即抗噪声干扰性好。r s 一4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 荚尺，实际 上霹达3 0 0 0 寒，菇矮r s - 2 3 2 一c 接曩在总线上只完诲连接t 个浚发器，静 单站能力。而r s - 4 8 5 接口在总线。t 是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有 多站能力，这样用户可以利用单一瞧r s 一4 8 5 接口方疆邀建立起设器网络。 1 2 3 3 故鼹定位的研究 磁悬浮列车中应用间隙传感器数量很大，并旦单个间隙传感器结构复杂，器件 繁多，在瓶囊生产和长精捷瘸过程中难免会出现藏障，检测移维修的难度太，测试 时间长，因此需要的维修保障费用较高，严重影响了设备的测试性、维修性和可靠 毪。 现代电予技术的迅速发展促进了测试理论、测试技术和测试设备的发展，特别 是b i t ( b u i l t - 趣t e s t ，视内测试) 按术的懿发震，在穰大程凌主解凌了复杂迄子系统 和设备的测试、检测和故障定位问题、提离了系统的测试憾和维修性。 第砖簧 潮薪科学技术丈学磺究每虢学位论文 b i t 技术最早应用予7 0 年代美举航空l 毡予设餐，在很大程度上提高了设餐的测 试、检测和敞障诊断能力，随j 舌，b i t 技术得到了前所未有的快速发展，圈益成熟和 完善。常用的b i t 检测技术肖”： ( 1 ) 板肉r o m 式b i t 板内只读存储器实现的机内测试是一种由硬件和固件实现的非并行式b i t 技 术。该技术敷括：将存诺在r o m 中的瓣试镤式施绷掰被溺电路c u t 中，然后将c u t 的相应与期耀的正常响应g m r 对比，据此给出测试“通过不通过”输出信号。该 方法属于j 劳抒测试技本，不戆与系统静援常功麓并孳亍工律。 ( 2 ) 微处理器b i t 镦建理嚣b i t 蹙壤熏璐戆鼓舞模型来实瑷懿，该模燮爵敷对徽楚理嚣遴嚣全瑟 有效的测试。该方法可能会需要额外的测试程序存储器。此外，由于被测电路的类 型不因，还可缝罴要镬用癸帮测试模块。该终帮测试模块楚凌一个巾央处攥单元c p u 控制的电路，用于控制和柳始化位于微处理器模块内的外围控制器件。该方法属于 薨弦测试技术，为了确保不影响系统的正鬻运 亍，该b i t 在微处理器的纛卷运算过 程中只能周期运行。在不需要额外r o m 和外部铡试模块时，该方法不要求修改被测 电路的内部设计。 ( 3 ) 扫擒通路b i t 扫描通路b i t 技术用于访问嵌入的时序和组合逻辑电路单元。根据特定旌加的 测试模式，阿戬读溅整个魏场哥更换模块的捩态；可敬馒糟笼复像和清零操作委为 复杂的测试模式，初始化包宙时序存储单张的被测电路。 国透赛努接b i t 对于v l s i 集成电路，光法从外部访问到其内部的逻辑单元，因此在集成电路本 身熬莰诗孛盛须提供溅试熬手爱。爨翦，在v l s i 集皴逛臻中骛速藏瘸透器据搐按零， 它在测试时不需要其他的辅助电路，不仅可以测试芯片或者p c b 的逻辑功能，还可 以测试l e 之闯或者p c b 之闼静连接是否孬在教簿，该技术是一秘 势弦躲测试技 术。 1 3 本文的童要研究工作 前面一节中介绍了关于温度漂移、通讯接口、故障定位等方面技术的研究现状， 挺愚蠢于遮整研究方法应瑙丁不两豹疆域，满是巧i 了嘉速磁悬浮翻车闻豫倍感器工 程化的要求，因此需要针对上述技术进行研究并且将其工程化。本文主要研究了温 度漂移、逶添接墨叛及装醚维护遥疆中遂裂熬故障定经等技术，爨季搴内容商： 第一章绪论：本章介绍了课题研究背景，综述了磁悬浮列车和间隙传感器国产 粲1 1 甄 强跨科学技零大学磺究生院学稼论文 化中的关键闽题及其醭究现状，最后阐述了本文的主要磺究工作。 第二章问隙传感器温度漂移的分析与补偿。大温差环境下，检测线圈电阻和检 波电路参数的温度变化是传感器输出漂移的主要原因，本逝分辑了检测线圈的电阻 溢魔变诧对传感嚣输出漂移的影确，提取了检测线圈的数学模型，建立了检测线圈 和梭波电路的综合补偿电路，实现了温度补偿。 第三章闻陈镩感器通讯接口的设计与实现。本章设计了基于r s 4 8 5 总线的多 路串行异步通讯系统，实现了间隙传感器与悬浮控制器之间的通讯，满足了系统对 遥爨装实时褴与可纛往翡要求。分褥了毫磁干撬x 重逶运的影羲，并提出了辐应静解 决方法。 第疆章闻藤铃感器鼓辕定建方法豹磺究与设计。本拳聚蠲鼓簿耱分掇法对潮潦 传感器进行故障建横，并通过故障树结构黼数计算各个环节出现故障的概率，对出 现故障壤率较大的琢节设计了故哮捻测电鼹，劳姆故障捡测电路练合为数漳检测系 统，通过对间隙抟戆器施加激励，然后测爨间隙传感器故障检测系统输出的故障编 码，便能够对间隙传感器进行准确的故障定位，提离了维护效率。 第五章全文总结：本章总结了本文的主要研究工作，列出了本文的研究结论， 提出了仍需要进一步解决的问题和发展思路。 第i 2 页 鬻麓科擎技宋大学研究生麓譬位论文 第二章间隙传感器温度漂移的分析与补偿 本章分析了阔隙传感器溢度漂移的主要因素为检测线圈的阻抗漂移和检波电路 的参数漂移，建立了检测线圈的数学模型，提出一种线圈模型等效电路和检波补偿 窀爨相结合瀚“综合 偿法”，有效遣降低了闻隙倍感器的输出溢漂。 2 1 闯隙抟感器的正作环境及工作原理 2 1 1 间隙传感器的工作环境 高速磁悬浮列车悬浮阔隙传感器，采用电涡流高频反射方式，实现了对悬浮间 隙的秃接触测量，麓中，捻测线爨接在传感器振荡嚣路审，与电容蜂藏濮振露爨终 为振荡源的负载，结构如图2 一l 所示。 强2 一l 系统缀或鲻 悬浮电磁铁、间隙传感器、长定予轨道位置关系如图1 6 所示，高速磁悬浮列 车熬悬浮阉激捷戆器褒在慧浮电磁铁豹磁辍之凌，检溅线灏安装簌悬浮电磁铁蓬上 方，并且与电磁铁紧密结合在一起，由于燃浮电磁铁工作过程中发热量大，它将热 量技罨给瓣黢转感器，并璧闻禳转感器瘊矬空闯狭小，热餐教失阂难，导致阕骧传 感器产生温度漂移，因此需要进行温度补偿。由于检测线圈平面正对着长定子轨道 表露，最大安装宽度先一个长定子戆齿槽蹋粳塞攫：著虽要求闻骧传感嚣具毒捡测 间隙和测量速度功能，加之出于冗余方面考虑，间隙和速度都采用双线圈结构；同 时根据文献”“，兔了削弱长定子齿糖结构的影响，间隙捡测线圈变度至少要一个凌 稽周期，且簧求设计为立体结构，基于上述诸多原因，因此很难采用检测线圈自补 偿和增加补偿线圈扑的方式进行温度补偿，需要研究更加遁合其自身特点的补偿方 法。 第 3 馥 懑防科学投求丈学馥究牛院学煎论文 2 。1 2 裁黢健感器工俦琢理 裹速磁爨浮歹f 牵的定予辘遘是出硅镳砖叠威，糗溅线潮与定予孰遂关系据图2 - 2 所示。高频交变电磁场通过检测线圈发射剁空间中，当检测线圈接近被测导体时， 在检测线圈与被测母体之间产生两羊4 t 作用：一种怒涡流效应，即离频线圈佟用予被 测导体，政变被测导体的电感，该电感同时反作厢于检测线圈，改变了检测线圈的 等效电感；另一种是静磁效应，即由于硅钢片的导磁能力很强，当检测线圈接近硅 铜片，增强了检测线圈的静磁效瘦，改变了检铡缄强的等效电感。 图2 - 2 梭瓣线圈与硅刚叠片平垂 间隙传感器检测线圈与被测导体关系的等效电路如图2 - 3 所示。 鞠2 - 3 间隙传感嚣的等效电路模型 以图2 - 3 中所示电流为正方向，根据基尔霍夫定律得到方程 ir t + j c o l l i i j c o m l 2 = u - j c o m l + r 2 1 2 牛 l 2 1 2 = o 根据式( 2 一1 ) 得到检测线圈的等效阻抗为 如净十嵩”和一嵩础z 所以，棱测线圈的等效电感为 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第1 4 委 躐凌科学技零大学搿究生院学静论文 三= - 一i 手o j ) 丽2 m 2 ： ( 2 - 3 ) 式拉一3 ) 中，毛为静磁嘏感，主蔡与被测导 搴静静磁效应有关，当被测导体磁导 率较高时，被测导体的存在改变了检测线圈周围空间的等效磁导率，从而增大了静 磁毫感，闻港艿越小，毛熬大；詹一顼为瓣为涡流效应静两产生戆反莉电感，闻辕 越小，涡流效应越大，则该反射电感越大，反射电感会减小检测线圈电感，静磁电 感黎爱羹重电黎对捡 蒺线霾等效宅惑豹影翡怒程反静。 当被测导体与检测线圈之问的间隙发生变化时，检测线圈的镩效电感由于静磁 效成秘电溪滚效应露改变，不同斡电路形式提取出变讫懿线圈等效整撬、鑫震因数 或等效电感嫦信息，传感器最终输如的电膳幅值或频率将随间隙变化而变化，这样 检测系统就将闻黢镶号转化为电信母，并且形成了一一对癍鲍关系。 2 2 闻隙馋感爨渥度漂移酶分爨 阔豫镑慧器主要出检测线圈模掇整理魄路帮数字处理电路组成，其中数字毫薅 处理的是a i d 采样厢的数字信号，不存在漱度漂移问题，而检测线圈和模拟电路中 静梭渡饔节夔温度变往静蛰褴暖显，楚阀藩转惑器滠菠漂移戆主赘鑫素，因魏霉要 着冀分析。 2 2 i 检测线圈环节的温发特性分析 2 。2 1 i 检测线圈等效阻抗 检测线圈的等效电路如图2 - 4 所示，其中吃、工和c 分别为线圈的等效电阻、 等效电感和分布电容，显为串联分滕电阻。 图2 - 4 检测线圈等效电路 根据闰2 4 可以得出检测线圈的等效阻抗为 z 。，7 1 ) = r l 妒) + a 2 啦( a ，r ) 一l 2 9 c 】 ( 2 4 ) 第1 5 翼 国防科学技术大学研究“婉学位论