新型智能磁悬浮汽车半实物仿真及研究

胡钦，陈特放，唐建湘，陈孝莺（中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083）



新型智能磁悬浮汽车半实物仿真及研究

胡钦，陈特放，唐建湘，陈孝莺
（中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

新型智能磁悬浮汽车由于车体悬浮于轨道之上的独特运行方式，使得列车具备低噪、高速、零排放、高舒适、转弯半径小等多项优势，成为未来交通发展的新方向。本项目主要对新型磁悬浮汽车结构设计及控制器设计，采用轨道交通和道路交通结合方式，达到两用，交通方式更加多样。

磁悬浮；轨道交通；道路交通；两用

1 研究目的和意义

随着 城市人口成倍增长、城市道路日益拥挤， 汽车排放尾气造成严重的空气污染。因磁悬浮具有低污染、低噪声、低能耗、高速度、舒适等优点，所以将磁悬浮技术应用于汽车上便可设计出一款新型智能磁悬浮汽车，悬浮轨道高于路面，既可保持传统汽车在道路上四轮驾驶，又可在磁悬浮轨道上悬浮行驶，悬浮轨道与道路交通结合使用，既环保低碳，又可缓解交通压力。

2 磁悬浮技术研究现状

2.1 国内研究现状

1989年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮试验样车。1995年，我国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为300 km的试验。2001年，西南交通大学研制的高温超导磁悬浮列车样机实验成功。

2.2 国外研究现状

日本以HSST系列常导磁悬浮列车为代表和以MLU系列超导磁浮列车为代表的两个系列列车车型。2015年4月16日，改造研制的“L0系”超导磁悬浮列车进行高速运行试验达到载时速590 km/h，是世界最高速度。

德国Kruass Maffei公司1969年就制造出了全世界首台EMS型磁悬浮列车——TR-01号；研制出“TR-06”、“TR-07”两个型号列车，测试优异，获得德国政府的技术成熟评价报告。

3 新型智能磁悬浮汽车的设计

3.1 模型构想

新型智能磁悬浮汽车构想，采用磁浮交通和道路交通结合。一般情况下，交通拥堵、易发生安全事故，部分特殊路段如跨河海段车辆无法通行时，采用新型智能磁悬浮技术，缓解交通压力，并且安全可靠；在雷雨天气、紧急情况路段，继续运用四轮驾驶，二者和谐配合。在磁浮交通控制上，将汽车利用四根铁索勾住，将其升至空中，与空中环抱式轨道结合，到达磁悬浮高度后，松开铁索，让车在磁悬浮轨道上进行有序运行，达到无人智能驾驶操作最佳。空中具体结构如图1所示。

图1 空中磁悬浮图

在道路行驶部分，交通通畅，即可采用正常道路交通陆地行驶。磁悬浮轨道上的汽车此时四根铁索再次勾住，将汽车缓慢向下释放，直至平地，落地后正常行驶。

模型涉及空中智能磁悬浮交通信息控制，空中车联网。交通信息的空中交通管制，轨道交错纵横时候，刹车错车和控制器的配合。

3.2磁悬浮控制技术设计

对新型磁悬浮汽车的构想，结构设计采用环抱式结构。为研究方便，我们等价将其旋转方向180°，研究其直线运动平台。

3.2.1 硬件部分

采用IGBT对直流电源斩波来控制电磁铁的磁力大小。IGBT型号为IKW75N60T，使用英飞凌1ED020I12芯片驱动。使用的IGBT耐压600 V，耐流75 A，足以驱动悬浮使用的电磁铁。如图2，左边接口是与控制器相连，控制IGBT的通断。右边接的是驱动电磁铁的电源。通过调整IGBT斩波产生的脉冲的占空比来控制电磁铁的长度。使用位移传感器来获取悬浮体的悬浮距离，转化成电压信号经过A/D转化，采样保持得到距离的数字量，根据这个反馈形成闭环控制。

3.2.2 软件部分

（1）磁悬浮列车的工作模式。电动悬浮（EDS）式磁浮列车和电磁悬浮（EMS）式磁浮列车，EDS式磁浮列车悬浮高度高达100~150 mm，EMS式通常在8 mm，两者相差范围很大，从而导致控制策略上也存在极大差别。

图2 驱动电路原理图

（2）磁悬浮列车的控制方式。磁悬浮列车的控制方式也因各类控制策略的不断发展而有多种选择。就目前文献调查而言，例如电压反馈闭环控制策略、PID反馈控制策略[5]、模糊控制策略、模糊PID控制策略、鲁棒控制策略等等有近10种不同的方式方法（图3）。

图3 软件控制器内容图

4 研究成果

4.1 SolidWorks三维建模（图4）

图4 磁悬浮运 动平台结构图

在3D模型绘制完成后，将不同悬浮状态的列车模型导入仿真软件中进行相应准确的材料属性配置、仿真环境条件配置、激励源配置、边界条件设定等细节部分。将包括列车正常 悬浮、前倾、后倾、横移、转弯等在内的多种悬浮状态的3D模型最大程度上还原于实物模型，计划以1:24比例进行绘制，绘制出相关研究领域内与实物列车最为相似的仿真模型并且根据实验参数正确匹配设定，仿真获得结果与实验数据间误差最小化。

4.2 实物磁悬浮技术模拟

为研究磁悬浮技术，制作圆盘式磁悬浮结构，如图5所示。

图5 磁悬浮圆盘

圆盘式结构，对称四角有四块电磁铁，提供电磁力。

通过电源和控制回路及位移传感器，对电磁铁电磁力控制，对圆盘实现加速、减速、悬浮高度等参数调整。

5 创新特色和应用前景

作品的创新特色：（1）将磁悬浮列车技术加以改进，应用于汽车上，设计出既可在路面上行驶又可悬浮于轨道的汽车，既环保低碳，又可一车双用。（2）将悬浮轨道置于空中，一来造价成本低、方便施工，其次不用占路面、车站、停车场等地上交通设施，节省了宝贵的城市建设用地和发展空间。作品的应用前景：新型智能磁悬浮汽车既低碳环保、可缓解交通压力，同时具备低噪声、低能耗、高速度、占地少、舒适等显著优点，一旦得以推广使用，将会成为一种重要的新型交通工具。

[1] 段吉安.一种新型磁悬浮直线运动平台的热分析[J].中国电机工程学报,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] 郭福华.常导磁悬浮列车的悬浮原理[J].科学论坛.

[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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1671-0711（2016）08（上）-0052-02