新型智能磁懸浮汽車半實物仿真及研究

胡欽，陳特放，唐建湘，陳孝鶯（中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

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新型智能磁懸浮汽車半實物仿真及研究

胡欽，陳特放，唐建湘，陳孝鶯
（中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

新型智能磁懸浮汽車由于車體懸浮于軌道之上的獨特運行方式，使得列車具備低噪、高速、零排放、高舒適、轉彎半徑小等多項優勢，成為未來交通發展的新方向。本項目主要對新型磁懸浮汽車結構設計及控制器設計，采用軌道交通和道路交通結合方式，達到兩用，交通方式更加多樣。

磁懸??；軌道交通；道路交通；兩用

1 研究目的和意義

隨著 城市人口成倍增長、城市道路日益擁擠， 汽車排放尾氣造成嚴重的空氣污染。因磁懸浮具有低污染、低噪聲、低能耗、高速度、舒適等優點，所以將磁懸浮技術應用于汽車上便可設計出一款新型智能磁懸浮汽車，懸浮軌道高于路面，既可保持傳統汽車在道路上四輪駕駛，又可在磁懸浮軌道上懸浮行駛，懸浮軌道與道路交通結合使用，既環保低碳，又可緩解交通壓力。

2 磁懸浮技術研究現狀

2.1 國內研究現狀

1989年3月，國防科技大學研制出我國第一臺磁懸浮試驗樣車。1995年，我國第一條磁懸浮列車試驗線在西南交通大學建成，并且成功進行了穩定懸浮、導向、驅動控制和載人運行等時速為300 km的試驗。2001年，西南交通大學研制的高溫超導磁懸浮列車樣機實驗成功。

2.2 國外研究現狀

日本以HSST系列常導磁懸浮列車為代表和以MLU系列超導磁浮列車為代表的兩個系列列車車型。2015年4月16日，改造研制的“L0系”超導磁懸浮列車進行高速運行試驗達到載時速590 km/h，是世界最高速度。

德國Kruass Maffei公司1969年就制造出了全世界首臺EMS型磁懸浮列車——TR-01號；研制出“TR-06”、“TR-07”兩個型號列車，測試優異，獲得德國政府的技術成熟評價報告。

3 新型智能磁懸浮汽車的設計

3.1 模型構想

新型智能磁懸浮汽車構想，采用磁浮交通和道路交通結合。一般情況下，交通擁堵、易發生安全事故，部分特殊路段如跨河海段車輛無法通行時，采用新型智能磁懸浮技術，緩解交通壓力，并且安全可靠；在雷雨天氣、緊急情況路段，繼續運用四輪駕駛，二者和諧配合。在磁浮交通控制上，將汽車利用四根鐵索勾住，將其升至空中，與空中環抱式軌道結合，到達磁懸浮高度后，松開鐵索，讓車在磁懸浮軌道上進行有序運行，達到無人智能駕駛操作最佳。空中具體結構如圖1所示。

圖1 空中磁懸浮圖

在道路行駛部分，交通通暢，即可采用正常道路交通陸地行駛。磁懸浮軌道上的汽車此時四根鐵索再次勾住，將汽車緩慢向下釋放，直至平地，落地后正常行駛。

模型涉及空中智能磁懸浮交通信息控制，空中車聯網。交通信息的空中交通管制，軌道交錯縱橫時候，剎車錯車和控制器的配合。

3.2磁懸浮控制技術設計

對新型磁懸浮汽車的構想，結構設計采用環抱式結構。為研究方便，我們等價將其旋轉方向180°，研究其直線運動平臺。

3.2.1 硬件部分

采用IGBT對直流電源斬波來控制電磁鐵的磁力大小。IGBT型號為IKW75N60T，使用英飛凌1ED020I12芯片驅動。使用的IGBT耐壓600 V，耐流75 A，足以驅動懸浮使用的電磁鐵。如圖2，左邊接口是與控制器相連，控制IGBT的通斷。右邊接的是驅動電磁鐵的電源。通過調整IGBT斬波產生的脈沖的占空比來控制電磁鐵的長度。使用位移傳感器來獲取懸浮體的懸浮距離，轉化成電壓信號經過A/D轉化，采樣保持得到距離的數字量，根據這個反饋形成閉環控制。

3.2.2 軟件部分

（1）磁懸浮列車的工作模式。電動懸?。‥DS）式磁浮列車和電磁懸浮（EMS）式磁浮列車，EDS式磁浮列車懸浮高度高達100~150 mm，EMS式通常在8 mm，兩者相差范圍很大，從而導致控制策略上也存在極大差別。

圖2 驅動電路原理圖

（2）磁懸浮列車的控制方式。磁懸浮列車的控制方式也因各類控制策略的不斷發展而有多種選擇。就目前文獻調查而言，例如電壓反饋閉環控制策略、PID反饋控制策略[5]、模糊控制策略、模糊PID控制策略、魯棒控制策略等等有近10種不同的方式方法（圖3）。

圖3 軟件控制器內容圖

4 研究成果

4.1 SolidWorks三維建模（圖4）

圖4 磁懸浮運 動平臺結構圖

在3D模型繪制完成后，將不同懸浮狀態的列車模型導入仿真軟件中進行相應準確的材料屬性配置、仿真環境條件配置、激勵源配置、邊界條件設定等細節部分。將包括列車正常 懸浮、前傾、后傾、橫移、轉彎等在內的多種懸浮狀態的3D模型最大程度上還原于實物模型，計劃以1:24比例進行繪制，繪制出相關研究領域內與實物列車最為相似的仿真模型并且根據實驗參數正確匹配設定，仿真獲得結果與實驗數據間誤差最小化。

4.2 實物磁懸浮技術模擬

為研究磁懸浮技術，制作圓盤式磁懸浮結構，如圖5所示。

圖5 磁懸浮圓盤

圓盤式結構，對稱四角有四塊電磁鐵，提供電磁力。

通過電源和控制回路及位移傳感器，對電磁鐵電磁力控制，對圓盤實現加速、減速、懸浮高度等參數調整。

5 創新特色和應用前景

作品的創新特色：（1）將磁懸浮列車技術加以改進，應用于汽車上，設計出既可在路面上行駛又可懸浮于軌道的汽車，既環保低碳，又可一車雙用。（2）將懸浮軌道置于空中，一來造價成本低、方便施工，其次不用占路面、車站、停車場等地上交通設施，節省了寶貴的城市建設用地和發展空間。作品的應用前景：新型智能磁懸浮汽車既低碳環保、可緩解交通壓力，同時具備低噪聲、低能耗、高速度、占地少、舒適等顯著優點，一旦得以推廣使用，將會成為一種重要的新型交通工具。

[1] 段吉安.一種新型磁懸浮直線運動平臺的熱分析[J].中國電機工程學報,第35卷第15期.

[2] ZHOU Hai-bo.Levitation mechanism modelling for maglev transportation system[J]. J. Cent. South Univ. Technol,(2010) 17: 1230~1237.

[3] 郭福華.常導磁懸浮列車的懸浮原理[J].科學論壇.

[4] Guangxia Huang. Finite Element Calculation and Analysis on Thermal Field in Flat Permanent Magnet Linear Synchronous Motor[J]. Proceedings of 2010 Conference on Dependable Computing (CDC’2010).

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