Dynamic measurements of train-to-track air gap for levitated transport

Full Text

Важнейшей задачей магнитного подвеса является обеспечение устойчивой левитации транспортного средства, что невозможно без достаточно точного динамического контроля величины левитационного (рабочего) зазора в заданных границах. В системах электромагнитного подвеса (ЭМП) величина зазора обычно составляет 5 – 20 мм. Результаты моделирования электромагнитного подвеса показали, что для устойчивого функционирования измерение зазора должно осуществляться с точностью не хуже чем одна сотая миллиметра и частотой не менее 200 Гц, что определило первичные требования к выбору датчиков.

Существует большое количество датчиков для контроля зазора: индуктивные, ультразвуковые, лазерные и т.д.

Ультразвуковой датчик имеет, по сравнению с оптическими, меньшие диапазон и скорость измерения. Точность измерения определяется свойствами среды распространения, а так же свойствами отражающего материала.

Принцип работы индукционных датчиков базируется на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика проводящего материала. При работе датчика зазора в области его чувствительной поверхности образуется переменное магнитное поле, наводящее в ферромагнитной направляющей путевой структуры вихревые токи. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется в зависимости от расстояния между датчиком и направляющей. Зависимость выходного сигнала от величины зазора во всем рабочем диапазоне, как правило, нелинейная, поэтому для более точного определения величины зазора необходимо использовать калибровочную зависимость датчика. В АО «НИИЭФА» разработана методика калибровки датчиков, обеспечивающая точность определения зазора не хуже 1мкм. Датчики подобного типа промышленного исполнения применены в измерительной системе разработанных макетов элементов ЭМП.

Лазерные датчики имеют линейную характеристику во всем рабочем диапазоне, а разрешающая способность составляет доли микрон. Их существенным недостатком является высокая стоимость, а также необходимость использования специальных противоударных, пылеи влагозащитных корпусов.

Таким образом, для применения в системе контроля были рассмотрены два наиболее подходящие типа датчиков – индуктивные и лазерные триангуляционные датчики. Особое внимание уделено скоростным и точностным параметрам системы сбора и обработки данных.

В докладе описывается методика и реализация системы контроля левитационного зазора для макета ЭМП, а также для макета ВТСП-2 модуля системы электродинамического подвеса (ЭДП). Приведены результаты предварительных исследований наиболее перспективных для использования в этой системе контроля датчиков.

Система контроля и управления левитационным зазором (СКУЛЗ) используется для управления током в электромагнитах (ЭМ) систем электромагнитного и комбинированного подвесов для удержания в заданных пределах величины зазора. Такая система может быть реализована как на базе цифровых систем, так и на базе аналоговых электронных схем. В обоих случаях имеются достоинства и недостатки. Для цифровых систем характерна гибкость и возможность оперативного изменения алгоритмов управления. Основной недостаток состоит в существовании времени задержки при аналого-цифровой обработке сигналов. Аналоговым схемам присуща высокая скорость работы, (десятки килогерц), однако имеется сложность оперативного внесения изменений в алгоритм. Независимо от принципа реализации система контроля условно может быть разделена на несколько основных узлов, выполняющих следующие функции:

1. измерение величины зазора между полюсом электромагнита и путевой структурой;
2. нормализация сигнала датчика зазора для последующей обработки;
3. обработка сигнала по специальному (запрограммированному) алгоритму;
4. формирование управляющих сигналов для управляемого источника тока. Для отработки алгоритмов и вариантов реализации СКУЛЗ в АО «НИИЭ-

ФА» разработан ряд макетов, в которых использованы различные подходы к реализации системы контроля. Для питания электромагнитов разработаны и изготовлены специальные управляемые источники тока. Управление обеспечивалось посредством вычисления необходимых величин тока в ЭМ по разработанной управляющей функции. Для этих вычислений использовался персональный компьютер с быстродействующей платой аналого-цифрового ввода-вывода. Программный код, разработанный в среде Borland Delphi, позволяет задавать, контролировать и удерживать величину левитационного зазора в процессе работы системы. В результате обеспечивалась устойчивая левитация при заданном зазоре с точностью не хуже 0.01мм.

Для макета элемента ЭДП разработаны алгоритмы и специальная система управления левитационным зазором, которые позволяют решить проблему управления подъемной силой СП (ВТСП-2) модуля элемента ЭДП. Эта система решает следующие основные задачи:

1. измерение величины зазора,
2. измерение напряжения с катушек ВТСП, с целью их защиты,
3. анализ положения платформы в зависимости от нагрузки и величины тока в катушках (величина магнитной индукции),
4. изменение величины тока для стабилизации положения платформы. Измерительно-управляющая система состоит из четырех датчиков зазора,

модулей аналого-цифрового преобразователя (АЦП), одного модуля цифроаналогово преобразователя (ЦАП), управляющего контроллера, компьютера верхнего уровня (КВУ) и двух источников питания (ИП). Контроллер реального времени обеспечивает управление работой модулями АЦП и ЦАП. Модуль АЦП представляет собой четырехканальный шестнадцатибитный преобразователь, с погрешность измерения 0,05%. Модуль ЦАП представляет собой четырехканальный шестнадцатибитный преобразователь, с разрешением 5*10-4 В. Использовались источники питания фирмы Delta Electronics с функцией дистанционного управления.

Программное обеспечение системы контроля левитационного зазора для ВТСП модуля было разработано в среде инженерного программирования LabView. ПО позволяет визуально контролировать параметры системы и управлять источниками питания как в ручном режиме, так и по заданному алгоритму, который использует элемент PID-регулирования.

В результате проведённых в АО «НИИЭФА» работ:

• исследованы и выбраны датчики для измерения величин левитационных зазоров, разработаны методики их калибровки, которые обеспечивают требуемую практическую точность измерений;
• для обоих перспективных вариантов левитационных подвесов (ЭМП и ЭДП) разработаны принципы и алгоритмы работы систем контроля и управления левитационным зазором;
• изготовлены макеты для исследования и отработки алгоритмов управления;
• разработаны, изготовлены и испытаны макеты аналоговой и цифровой систем контроля и управления левитационным зазором;
• при разработке цифровых систем использованы как различные подходы к реализации аппаратной части так и различная среда разработки, что позволит в дальнейшем выполнить оптимизацию и унификацию СКУЛЗ;
• разработаны требования к быстродействующим управляемым источникам питания электромагнитов ЭМП.

About the authors

V. M. Amoskov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Author for correspondence.
Email: avm@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

E. N. Andreev

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: andreev@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

V. A. Belyakov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»; Saint Petersburg State University

Email: belyakov@niiefa.spb.su
Russian Federation

V. N. Vasiliev

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: vasilievvn@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

O. S. Vasilieva

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: vasileva@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

A. A. Dyomina

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: demina@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

M. V. Kaparkova

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: sytch@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

V. P. Kukhtin

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: kukhtin@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

E. A. Lamzin

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: elamzin@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

A. A. Lantzetov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: lancetov@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

V. A. Lantzetov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: firsov@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

M. S. Larionov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: larionov@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

A. N. Nezhentzev

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: nezhentsev@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

I. Yu. Rodin

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: rodin@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

S. K. Samoilov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: samoilov@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

S. E. Sytchevsky

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»; Saint Petersburg State University

Email: sytch@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

A. A. Firsov

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: firsov@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

N. A. Shatil

Joint Stock Company «D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus»

Email: shatiln@sintez.niiefa.spb.su
Russian Federation

Supplementary files