磁浮列車模型定位系統(tǒng)的設(shè)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(guān)組編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用FPGA和DSP相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，完成對該定位系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)磁浮列車的定位功能，具有工作簡單可靠、制造成本維護(hù)成本低廉等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：磁浮列車；磁控開關(guān)；定位；FPGA

    磁浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)組成的新型交通工具。該模型車?yán)猛ㄔ谲囕v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(dǎo)向磁鐵與線路側(cè)向的導(dǎo)向軌之間的吸引力進(jìn)行導(dǎo)向；利用短定子直線感應(yīng)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(yīng)板中感應(yīng)出電流，二者相互作用推動機車前進(jìn)。
    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(yīng)定位測速、微波定位測速、交叉感應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，定位精度差，有的需要大量的軌旁設(shè)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(hù)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(guān)編碼定位技術(shù)，利用磁控開關(guān)在磁場內(nèi)導(dǎo)通的原理，當(dāng)磁浮列車經(jīng)過磁控開關(guān)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(guān)導(dǎo)通；當(dāng)磁浮列車駛過后，磁場消失，磁控開關(guān)斷開。把所有磁控開關(guān)導(dǎo)通和斷開的狀態(tài)編碼成二進(jìn)制數(shù)字序列，每一個序列對應(yīng)一個磁浮列車的位置。
    將一定數(shù)量的磁控開關(guān)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(guān)被觸發(fā)，為了保證磁控開關(guān)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(guān)安裝軌道外側(cè)。為了避免磁控開關(guān)出現(xiàn)故障，每兩個磁控開關(guān)采用并聯(lián)方式組合成一個單元，固定安裝在保護(hù)塊里。將所有的磁控開關(guān)的狀態(tài)(導(dǎo)通-1；斷開-0)整合成一個二進(jìn)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(fù)，每一個數(shù)字序列對應(yīng)一個列車的位置見圖1。對這些數(shù)字序列進(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)組。當(dāng)電磁鐵與開關(guān)重合時，該開關(guān)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(guān)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(shè)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(guān)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(nèi)的磁控開關(guān)組狀態(tài)的能力，把磁控開關(guān)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(nèi)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(yù)先設(shè)定的此區(qū)間的位置信息最終確定列車的位置。當(dāng)列年位于兩個區(qū)間的結(jié)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(shè)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(guān)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(jié)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(shè)計
    在該定位系統(tǒng)中，信號源來自磁控開關(guān)組，軟件設(shè)計的主要任務(wù)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)計思想是對輸入脈沖每N／2個周期響應(yīng)一次，利用簡單的邊沿觸發(fā)來控制輸出，即對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)，每輸入N／2個脈沖，輸出翻轉(zhuǎn)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(yīng)使用最少的二進(jìn)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(wù)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(guān)的狀態(tài)編碼成的二進(jìn)制數(shù)字序列之間對應(yīng)關(guān)系列表，依據(jù)上述位置總線的狀態(tài)從18’b110xxxxxxxxxxxxxxx到18’bxxxxxxxxxxxxxxx011。當(dāng)磁浮列車的位置發(fā)生變化時，磁控開關(guān)組的狀態(tài)也發(fā)生變化，通過查表的方式得出區(qū)間內(nèi)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(wù)是如何獲得磁浮列車的速度和加速度。當(dāng)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(jié)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(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見圖6。

    圖中，連線表示的是磁控開關(guān)組的狀態(tài)對應(yīng)的區(qū)間位置。試驗結(jié)果表明：利用磁控開關(guān)編碼定位技術(shù)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(zhǔn)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(guān)編碼技術(shù)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(hù)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。