吳 峻，李中秀，曾曉榮，羅茹丹

（1. 國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073；2. 北京磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司長(zhǎng)沙分公司，湖南長(zhǎng)沙410073）

中低速磁浮列車(chē)采用無(wú)接觸的懸浮和直線牽引原理，以無(wú)磨損、低噪音以及高速、安全、平穩(wěn)、舒適等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。在運(yùn)行過(guò)程中，懸浮系統(tǒng)控制車(chē)廂始終與軌道之間保持8 mm 左右的懸浮間隙，懸浮間隙檢測(cè)由懸浮傳感器完成。懸浮傳感器安裝在車(chē)輛懸浮電磁鐵的端部，處于F軌下部，懸浮間隙信號(hào)通過(guò)較長(zhǎng)的電纜線傳輸給安裝在車(chē)輛底部的懸浮控制器。懸浮傳感器及其傳輸電纜所處環(huán)境存在著多種強(qiáng)磁場(chǎng)，如懸浮磁場(chǎng)、牽引行波磁場(chǎng)以及車(chē)輛系統(tǒng)電力電子器件輻射電磁場(chǎng)等，各強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率差異較大。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)輛穩(wěn)定地懸浮，要求懸浮傳感器實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地傳送信號(hào)給懸浮控制器［1］，傳輸環(huán)節(jié)是容易忽略的部分。

中低速磁浮交通正處于應(yīng)用和發(fā)展階段。懸浮傳感器的研究多集中在結(jié)構(gòu)、功能以及指標(biāo)實(shí)現(xiàn)等方面［1-8］，而針對(duì)懸浮傳感器與懸浮控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈墨I(xiàn)很少，只有研究懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)的有關(guān)阻抗匹配的文獻(xiàn)［9］。面對(duì)懸浮傳感器及其傳輸電纜所處的復(fù)雜電磁環(huán)境，為了保證懸浮傳感器的信號(hào)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地傳送給懸浮控制器，有必要對(duì)懸浮傳感器信號(hào)傳輸面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行研究。

本研究?jī)?nèi)容包括：通過(guò)對(duì)懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的分析，根據(jù)阻抗匹配原則，確定主要器件參數(shù)；實(shí)施相應(yīng)試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)數(shù)字接口的傳輸延時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證傳輸延時(shí)是否對(duì)控制性能造成影響；分析傳輸電纜可能耦合的電磁干擾形式，增加相應(yīng)的接口電路并進(jìn)行抗擾度測(cè)試。

1 懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)及主要器件參數(shù)

如圖1 所示，懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)主要由485轉(zhuǎn)換芯片、雙絞屏蔽線以及網(wǎng)絡(luò)變壓器等三部分組成［9］。懸浮傳感器通過(guò)3 m 長(zhǎng)的電纜發(fā)送數(shù)據(jù)到懸浮控制器，雙絞線信號(hào)的單位長(zhǎng)度延時(shí)為6 nm·m-1，懸浮傳感器信號(hào)上升時(shí)間為17 ns，因此懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)可認(rèn)為是傳輸線系統(tǒng)，需要考慮信號(hào)受傳輸線的影響。采用網(wǎng)絡(luò)變壓器作為接收終端，可以物理隔離懸浮傳感器與懸浮控制器之間的電源和地，對(duì)于提升可靠性有益，但容易造成阻抗不匹配和信號(hào)衰減變形。因此，信號(hào)在傳輸過(guò)程中的阻抗匹配問(wèn)題需要重點(diǎn)關(guān)注，以保證信號(hào)具有足夠的傳輸能力。此處的傳輸能力是指信號(hào)傳輸不出現(xiàn)變形，輸出信號(hào)高電平處于+2～+6 V，低電平處于-2～-6 V。應(yīng)用傳輸線理論，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)變壓器結(jié)構(gòu)，形成傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效電路，如圖2 所示。圖2 中，Zs、Zo、Rt、Ln分別為信號(hào)源內(nèi)阻、傳輸線阻抗、終端并聯(lián)匹配電阻以及網(wǎng)絡(luò)變壓器等效電感，分別為信號(hào)源電壓及負(fù)載端輸出電壓。各參數(shù)之間的關(guān)系為

式中：ZL為包括匹配電阻在內(nèi)的負(fù)載阻抗；γ、l 分別為信號(hào)在傳輸導(dǎo)線中的損耗系數(shù)和傳輸導(dǎo)線長(zhǎng)度。

目前采用的電纜（AWG#24）電氣參數(shù)如表1所示。表1中，R0、L0、和C0分別表示電纜的有效電阻、電感以及電容。電纜線長(zhǎng)度為3 m，信號(hào)頻率f 為1 MHz，傳輸線的傳播常數(shù)與特性阻抗［10-12］如下所示：

式中：R、L、C和G分別表示傳輸線的電阻、電感、電容和電導(dǎo)。對(duì)于AWG#24電纜，G可忽略。

圖1 懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of suspension sensor signal transmission system

圖2 懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit for suspension sensor signal transmission system

表1 AWG#24雙絞線電纜參數(shù)Tab.1 Parameters of AWG#24 twisted pair cable

由于485 轉(zhuǎn)換芯片的輸出阻抗很小、傳輸導(dǎo)線線路短、傳輸損耗小，因此式（1）可以直接簡(jiǎn)化為

根據(jù)阻抗匹配原則，為保證網(wǎng)絡(luò)變壓器端輸出最大信號(hào)幅值，終端并聯(lián)電阻選取與傳輸線特性阻抗基本相當(dāng)?shù)碾娮柚?，?00～120 Ω。另外，網(wǎng)絡(luò)變壓器的等效電感值選取也根據(jù)阻抗匹配原則，結(jié)合信號(hào)傳輸速率，要求網(wǎng)絡(luò)變壓器在1 MHz 頻率內(nèi)滿(mǎn)足Lmin≥100 μH。對(duì)于接收端，為使信號(hào)電平在控制器電源所允許的范圍內(nèi)，需在網(wǎng)絡(luò)變壓器的副邊中心點(diǎn)與地之間連接電容，根據(jù)原邊和副邊的阻抗大小，匹配的容抗值可以選為200～300 Ω，結(jié)合信號(hào)的傳輸速率，可得出電容值大小為530～795 pF。

圖3為根據(jù)上述阻抗匹配原則確認(rèn)相應(yīng)器件參數(shù)后的懸浮傳感器傳輸系統(tǒng)最終輸出信號(hào)示例。從圖3 可以看出，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，未出現(xiàn)畸變和較大衰減。

圖3 網(wǎng)絡(luò)變壓器輸出信號(hào)示例Fig.3 Output signal example of network transformer

2 懸浮傳感器信號(hào)傳輸延時(shí)的分析與驗(yàn)證

懸浮傳感器與懸浮控制器之間采用如圖4所示的協(xié)議傳輸數(shù)字信號(hào)。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，在傳輸數(shù)據(jù)字的同時(shí)交替?zhèn)鬏斠唤M同步字，同步字?jǐn)?shù)據(jù)寬度為13 位，數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)據(jù)寬度為12 位，若傳輸波特率為1 Mbit·s-1，則懸浮傳感器在傳輸通道上的延時(shí)為25 μs?？焖龠\(yùn)行的磁浮車(chē)輛首先要求懸浮傳感器具備快速跟蹤并檢測(cè)軌道的能力，這對(duì)懸浮控制系統(tǒng)在不同速度條件下安全懸浮并有效通過(guò)不同線型的軌道具有重要意義。因此，分析該傳輸延時(shí)是否對(duì)懸浮傳感器的動(dòng)態(tài)特性造成影響很有必要。

圖4 串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議Fig.4 Serial data transfer protocol

中低速磁浮列車(chē)具有爬坡能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)其快速通過(guò)坡道時(shí)，電磁鐵的懸浮間隙在此過(guò)程中快速發(fā)生變化，這就需要懸浮傳感器具有快速跟蹤和檢測(cè)的能力，及時(shí)地傳遞間隙信號(hào)。因此，下文分析懸浮控制系統(tǒng)對(duì)懸浮傳感器的動(dòng)態(tài)特性要求。

坡道可簡(jiǎn)化為如圖5所示的豎曲線［13］。設(shè)坡道角為α，AB 為豎曲線的緩和曲線，取緩和曲線為圓曲線，并設(shè)圓曲線半徑為R，圓心角為θ，列車(chē)以勻速v行駛，則

圖5 豎曲線示意圖Fig.5 Diagram of vertical curve

θ較小時(shí)，列車(chē)豎直方向位移

式（2）體現(xiàn)的是磁浮列車(chē)通過(guò)豎曲線時(shí)，懸浮傳感器能夠跟隨的變化。若將懸浮傳感器等效為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，則時(shí)間常數(shù)τ、延遲時(shí)間Td與帶寬頻率fb之間的關(guān)系為

根據(jù)一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，當(dāng)延遲Td時(shí)，懸浮傳感器可以完全跟蹤階躍輸入。根據(jù)懸浮控制系統(tǒng)對(duì)懸浮傳感器位置誤差小于±0.2 mm的要求，以及車(chē)輛通過(guò)最小豎曲線半徑為1 000 m、最大速度為105 km·h-1的能力要求，結(jié)合式（2）和（3），計(jì)算得到懸浮傳感器允許的最大延時(shí)為68 ms。在傳輸波特率為1 Mbit·s-1的條件下，采用串行數(shù)字傳輸?shù)膽腋鞲衅髦挥?5 μs傳輸延時(shí)，因此串行數(shù)字傳輸?shù)难訒r(shí)不會(huì)影響懸浮傳感器的動(dòng)態(tài)特性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證懸浮傳感器的動(dòng)態(tài)特性，采用如圖6所示的測(cè)試方案。被測(cè)的軌道鋼材料放置在振動(dòng)臺(tái)上，懸浮傳感器安裝在特制臺(tái)架上，其中支架放置在振動(dòng)臺(tái)的隔振帶外，以避免受到振動(dòng)影響。將激光位移計(jì)作為測(cè)試對(duì)比。振動(dòng)臺(tái)靜止時(shí)，懸浮傳感器測(cè)量面到被測(cè)導(dǎo)體之間的間隙為10 mm。振動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)軌道鋼在豎直方向做正弦運(yùn)動(dòng)，頻率和幅值如表2所示，不同頻率振動(dòng)位移輸入下的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。圖7中，ΔGap1、ΔGap3、d分別表示懸浮傳感器通道Gap1和Gap3的檢測(cè)輸出間隙以及實(shí)際位移。

圖6 測(cè)試方案Fig.6 Test program

為了分辨各自的響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)懸浮傳感器各通道的檢測(cè)輸出不重合。結(jié)果表明，在110 Hz 頻率范圍內(nèi)，數(shù)字化過(guò)程幅頻特性基本不變，但會(huì)在110 Hz 處產(chǎn)生接近4°的相位滯后。在110 Hz 頻帶范圍內(nèi)，懸浮傳感器未出現(xiàn)明顯的衰減和相位滯后。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，整體延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許的最大延時(shí)68 ms，因此串行傳輸引入的延時(shí)不會(huì)影響懸浮傳感器需滿(mǎn)足的懸浮系統(tǒng)要求。

表2 振動(dòng)頻率和幅值Fig.2 Vibration frequency and amplitude

圖7 不同頻率振動(dòng)位移輸入下的檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Detection results with different frequency vibration and displacement inputs

3 懸浮傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)電磁干擾的分析與測(cè)試

懸浮傳感器通過(guò)3 m長(zhǎng)沿轉(zhuǎn)向架鋪設(shè)的電纜線將數(shù)據(jù)傳送給位于車(chē)廂底部的懸浮控制器，懸浮傳感器與傳輸電纜所處電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾較多。實(shí)際工況下，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，雜散電流的存在致使一定量的靜電電荷在懸浮傳感器殼體上積聚，由此產(chǎn)生的強(qiáng)烈放電造成懸浮傳感器不可恢復(fù)的故障。此外，懸浮控制系統(tǒng)的斬波器動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的脈沖群在傳導(dǎo)的同時(shí)也會(huì)向空間輻射，成為懸浮傳感器的電磁干擾；同時(shí)，懸浮傳感器的安裝位置使其處在懸浮磁場(chǎng)和牽引行波磁場(chǎng)之中，有可能對(duì)信號(hào)的傳輸造成影響。為保證懸浮系統(tǒng)正常且穩(wěn)定地工作，懸浮傳感器的傳輸通道必須具有一定的抗干擾能力，能夠經(jīng)受電快速瞬變抗擾度試驗(yàn)和射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)干擾抗擾度試驗(yàn)兩項(xiàng)考核［14］。

電快速瞬變抗擾度試驗(yàn)［15］，是指通過(guò)容性耦合夾在通信電纜線之間施加的一種脈沖群干擾。圖8為國(guó)際電工組織定義的干擾測(cè)試波形。這種干擾頻譜較寬，能量不大，以差模和共模方式作用于電源和信號(hào)端口，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，它一般不會(huì)損壞器件，但會(huì)使設(shè)備工作出現(xiàn)“軟”故障，如程序混亂、數(shù)據(jù)丟失或功能喪失等。圖9 中，實(shí)驗(yàn)室電源采用了含有去耦網(wǎng)絡(luò)的不受干擾影響的純凈電源。

圖8 電快速瞬變抗擾度波形定義Fig.8 Definition of electrical fast transient

圖9 懸浮傳感器的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)布置Fig.9 Electrical fast transient test arrangement of suspension sensors

傳輸線纜中包含的信號(hào)線采用了RS485差動(dòng)傳輸方式，這種傳輸方式本身就具有較強(qiáng)抑制共模干擾的能力，但電源線并沒(méi)有這種機(jī)制，干擾容易耦合到電源回路而造成影響。因此，針對(duì)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，主要在電源回路中設(shè)計(jì)了共模濾波電路和共模器件。如圖10 所示，電源回路采用了磁珠、共模電感以及共模形式的暫態(tài)電壓抑制器等。另外，數(shù)字接口采用串行傳輸協(xié)議，利用協(xié)議中的同步字技術(shù)，使懸浮控制器與懸浮傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)同步脈沖節(jié)拍的接收，從而避免因脈沖群的擾動(dòng)而出現(xiàn)的時(shí)序混亂。圖11 為懸浮傳感器在測(cè)量間隙為11 mm 時(shí)受脈沖群干擾的測(cè)試輸出結(jié)果。測(cè)試條件為干擾幅值2 kV、上升時(shí)間5/50 ns、重復(fù)頻率5 kHz的脈沖群?？梢钥闯?，受脈沖群的影響非常小，懸浮傳感器通過(guò)了電快速瞬變脈沖群抗擾度測(cè)試。

圖10 電源回路的濾波電路Fig.10 Filter circuit of power circuit

圖11 電快速瞬變抗擾度測(cè)試下的懸浮傳感器輸出Fig.11 Suspension sensor output under electrical fast transient test

射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)［16］，實(shí)際上是通過(guò)感性耦合鉗將0.15～80.00 MHz的干擾信號(hào)通過(guò)調(diào)制及掃描的方式施加到通信電纜線上，在低頻段主要表現(xiàn)為差模傳導(dǎo)干擾，在較高頻段則主要表現(xiàn)為共模傳導(dǎo)干擾。在電源輸入線和輸出線上設(shè)置合適的線路濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的有效措施。圖12為懸浮傳感器在射頻場(chǎng)感應(yīng)時(shí)的傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)。

如圖10 所示的濾波電路實(shí)際上也針對(duì)射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試，可抑制較高頻段的共模干擾。除濾波之外，屏蔽也是抗電磁干擾的重要措施。因此，電纜線的屏蔽層和懸浮傳感器的外殼需緊密連接，要避免過(guò)高的接地電阻及長(zhǎng)導(dǎo)線在高頻情況下出現(xiàn)過(guò)高的阻抗，導(dǎo)致屏蔽層不能將騷擾電壓導(dǎo)至地平面。由于懸浮傳感器蓋板與殼體的搭接部位通過(guò)螺釘連接，容易造成屏蔽體的導(dǎo)電不連續(xù)，縫隙處也會(huì)產(chǎn)生二次輻射，對(duì)內(nèi)部電路造成干擾，因此應(yīng)采用導(dǎo)電酯對(duì)接縫部位進(jìn)行填充處理，保證殼體的導(dǎo)電連續(xù)性。將懸浮傳感器殼體接口與屏蔽線、懸浮控制器接口與屏蔽線分別連接，構(gòu)成了完整的屏蔽體，以提升懸浮傳感器傳輸系統(tǒng)的屏蔽效能。在實(shí)際安裝中，懸浮傳感器殼體的安裝面應(yīng)與電磁鐵接觸。在懸浮傳感器維護(hù)過(guò)程中安裝面可能受到粉塵、油污等的影響而使得接地阻抗增加，這也需格外注意。

圖12 懸浮傳感器射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)Fig.12 Conducted immunity test of suspension sensor radio-frequency field induction

通過(guò)上述措施，在射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)中，懸浮傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定，波動(dòng)不超出±0.2 mm，通過(guò)了射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試。

4 結(jié)論

（1）在終端采用網(wǎng)絡(luò)變壓器的方式下，在簡(jiǎn)化阻抗分析電路的基礎(chǔ)上，以阻抗匹配為原則，計(jì)算了懸浮傳感器傳輸系統(tǒng)主要器件參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit·s-1，線纜采用3 m 長(zhǎng)的AWG#24 雙絞線，終端匹配電阻為并聯(lián)形式，電阻值選取為100～120 Ω，網(wǎng)絡(luò)變壓器在1 MHz 頻率內(nèi)滿(mǎn)足Lmin≥100 μH，此時(shí)傳輸信號(hào)畸變小。

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit·s-1，懸浮傳感器同步串行傳輸方式造成了25 μs延時(shí)，通過(guò)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，這種延時(shí)能夠滿(mǎn)足懸浮系統(tǒng)110 Hz 帶寬的要求。

（3）根據(jù)傳感器電快速瞬變抗擾度試驗(yàn)和射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)干擾抗擾度試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)了懸浮傳感器電源回路的濾波電路，分析了屏蔽和接地措施，并通過(guò)了上述兩項(xiàng)測(cè)試。