磁浮列車模型定位系統(tǒng)的設計

摘要：基于磁浮列車的特點，介紹了一種新型磁浮列車定位系統(tǒng)的實現(xiàn)，在磁控開關組編碼技術的基礎上，采用FPGA和DSP相結合的結構，完成對該定位系統(tǒng)的設計。實驗結果表明該設計能夠實現(xiàn)磁浮列車的定位功能，具有工作簡單可靠、制造成本維護成本低廉等優(yōu)點。
關鍵詞：磁浮列車；磁控開關；定位；FPGA

    磁浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統(tǒng)組成的新型交通工具。該模型車利用同定在車輛懸浮架上的懸浮電磁鐵與軌道之間的吸引力實現(xiàn)懸??；利用固定在懸浮架上的導向磁鐵與線路側向的導向軌之間的吸引力進行導向；利用短定子直線感應電機，通過安裝在車上的初級繞組產(chǎn)生行波磁場在軌道反應板中感應出電流，二者相互作用推動機車前進。
    磁浮列車運行時，運行控制系統(tǒng)必須隨時掌握列車的確切位置和速度，為此必須有一套定位系統(tǒng)實現(xiàn)對列車的實時定位。由于磁浮列車運行時與軌道沒有物理接觸，定位方法多采用無線方式來完成。目前，實現(xiàn)列車定位的方法有很多種，如光電感應定位測速、微波定位測速、交叉感應回線定位測速、GPS定位測速、無線擴頻通信定位法等。這些定位測速方法有些結構復雜，定位精度差，有的需要大量的軌旁設備，前期成本和后期維修費用高。針對磁浮列車的特點，本文提出了一種新的定位方法，該方法制造成本低，維護方便，適用于短途運營的磁浮列車。

1 定位系統(tǒng)工作原理
    本文采用磁控開關編碼定位技術，利用磁控開關在磁場內導通的原理，當磁浮列車經(jīng)過磁控開關時，由于懸浮電磁鐵與軌道間存在磁場，在該磁場的作用下，磁控開關導通；當磁浮列車駛過后，磁場消失，磁控開關斷開。把所有磁控開關導通和斷開的狀態(tài)編碼成二進制數(shù)字序列，每一個序列對應一個磁浮列車的位置。
    將一定數(shù)量的磁控開關等間距排放在磁浮列車的線路上，這一距離不能大于磁浮列車電磁鐵的長度，否則就無法保證列車運行過程中始終有磁控開關被觸發(fā)，為了保證磁控開關能夠被電磁鐵和軌道間的磁場觸發(fā)而不能被電機產(chǎn)生的磁場觸發(fā)，磁控開關安裝軌道外側。為了避免磁控開關出現(xiàn)故障，每兩個磁控開關采用并聯(lián)方式組合成一個單元，固定安裝在保護塊里。將所有的磁控開關的狀態(tài)(導通-1；斷開-0)整合成一個二進制數(shù)字序列，在列車行駛的過程中，這個數(shù)字序列將一直變化且不會重復，每一個數(shù)字序列對應一個列車的位置見圖1。對這些數(shù)字序列進行采集和邏輯分析就可以得到列車的位置量。

    列車運行時，布置于線路上的磁控開關組的狀態(tài)能夠反映出列車的位置量，以四個通過并聯(lián)方式合并后的磁控開關組為例說明這一問題如圖2所示。磁浮列車向有行駛，上方的六根橫線表示列車的六個位置，這六個位置處于磁控開關變化的臨界狀態(tài)，橫線兩端的黑色部分為固定在車輛懸浮架上的電磁鐵，下方為四個合并后的磁控開關組。當電磁鐵與開關重合時，該開關被觸發(fā)。位置總線的狀態(tài)依次為：1100、1110、0110、0111、0011、0011-1，最后一個狀態(tài)需要加入第五個開關量。以列車的中心位置為參考，這六個狀態(tài)可以確定五個位置區(qū)間，即P1到P5。

2 系統(tǒng)的硬件設計
    將整個線路分為若干個區(qū)間，每個區(qū)間等間距排放并聯(lián)后的磁控開關組，并且配備有信號處理模塊和通信接口如圖3所示。因此每個區(qū)間具備獨立分析區(qū)間內的磁控開關組狀態(tài)的能力，把磁控開關組的變化情況通過位置信號總線送入信號處理模塊，處理后能夠獲得列車在該區(qū)間內的相對位置量，并將此位置量由通信接口經(jīng)CAN總線發(fā)送到控制中心，控制中心根據(jù)預先設定的此區(qū)間的位置信息最終確定列車的位置。當列年位于兩個區(qū)間的結合處時，兩段的通信部件會同時發(fā)出位置信號，由控制中心綜合分析得出列車的位置。

    本設計信號處理模塊的核心硬件由FPCA和DSP組成，其中FPGA選用型號為XC2S50，用于處理由位置信號總線輸入的磁控開關的狀態(tài)量，從
而確定出列車所在的位置區(qū)間，并將運算結果由數(shù)據(jù)總線送入型號為TMS320C2812的DSP器件，用來計算列車的速度和加速度。并利用存儲的列車在前一區(qū)間的速度和加速度的值來計算出列車的位置，最后將位置值和速度量由CAN接口送入CAN總線。

3 系統(tǒng)的軟件設計
    在該定位系統(tǒng)中，信號源來自磁控開關組，軟件設計的主要任務在信號處理模塊中。在數(shù)字電路中，時鐘脈沖信號是重要的信號之一。從經(jīng)濟和電路體積結構上講，往往采用一個高頻品振產(chǎn)生一種高頻率的脈沖，再利用其他的分頻方法進行分頻，從而產(chǎn)生需要頻率的脈沖。本文采用30 MHz的品振經(jīng)過千分頻得到需要的30 kHz。
    N分頻電路的設計思想是對輸入脈沖每N／2個周期響應一次，利用簡單的邊沿觸發(fā)來控制輸出，即對輸入脈沖進行計數(shù)，每輸入N／2個脈沖，輸出翻轉一次，則輸出脈沖頻率是輸入脈沖頻率的1／N倍，從而實現(xiàn)了N分頻。文中用上述方法經(jīng)XilinxISE Simulator仿真得到8分頻時鐘脈沖仿真波形如圖4所示，波形圖中可以看出，分頻器采用了計數(shù)原理，得到了8倍分頻仿真效果。為了減少計數(shù)器占用的邏輯單元，計數(shù)器應使用最少的二進制位數(shù)，千分頻亦可用同樣的方法實現(xiàn)。

    基于FPGA的信號處理模塊的任務是獲得磁浮列車的區(qū)間位置量。首先建立區(qū)間位置與磁控開關的狀態(tài)編碼成的二進制數(shù)字序列之間對應關系列表，依據(jù)上述位置總線的狀態(tài)從18’b110xxxxxxxxxxxxxxx到18’bxxxxxxxxxxxxxxx011。當磁浮列車的位置發(fā)生變化時，磁控開關組的狀態(tài)也發(fā)生變化，通過查表的方式得出區(qū)間內的位置，并通過數(shù)據(jù)總線傳送。

    基于DSP的處理單元的任務是如何獲得磁浮列車的速度和加速度。當有區(qū)間位置信息輸入時得到圖5，開啟計時器，利用存儲的區(qū)間長度和計時時間可以求出磁浮列車的速度，然后利用前兩次存儲的速度值可求出列車的加速度，最后利用這些參數(shù)求出列車在區(qū)間的相對位置和速度，送入CAN總線。

4 實驗與結論
    由于實驗條件的限制，該定位系統(tǒng)在長約10．2m的磁浮列車線路模型上進行試驗，試驗結果見圖6。

    圖中，連線表示的是磁控開關組的狀態(tài)對應的區(qū)間位置。試驗結果表明：利用磁控開關編碼定位技術可以精確測量出各區(qū)間臨界點的值，也能得到較為精確的連續(xù)位置，能夠為磁浮列車模型的運行提供準確定位。在磁浮列車勻速運行的狀況下，該定位方式是精確的，在變速運行狀態(tài)下會產(chǎn)生一定的誤差，可采用一些算法擬合來減少誤差?？傊?，用磁控開關編碼技術實現(xiàn)磁浮列車定位的方法具有工作簡單可靠、制作成本維護成本低廉等特點，特別適用于短距離運營的磁浮列車，對其他軌道交通也有一定的參考意義。