电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，目的是克服模块内部两点之间的相互影响，提高悬浮控制的性能。技术方案是设计一个只包括一套悬浮控制器的悬浮控制系统，该悬浮控制器由信号处理单元、Ａ／Ｄ转换单元、时钟信号发生单元、主控ＤＳＰ单元、ＰＷＭ波发生单元以及辅助ＤＳＰ单元组成，它根据两个悬浮传感器组分别测得的Ａ端和Ｂ端悬浮状态，分别计算出Ａ端和Ｂ端的控制量，由Ａ端控制量控制单电磁铁Ａ的电流大小，由Ｂ端控制量控制单电磁铁Ｂ的电流大小，进而分别控制Ａ端电磁力和Ｂ端电磁力的大小，保证模块Ａ端和Ｂ端都与轨道之间的间隙保持恒定；采用本发明专利技术可有效抑制Ａ端和Ｂ端悬浮状态之间的相互影响，实现磁浮列车的稳定悬浮。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁浮列车悬浮控制方法，尤其是一种基于模块的电磁型常导(Electro Magnetic Suspension，简称EMS)型低速磁浮列车悬浮控制方法。
技术介绍
EMS型磁浮列车是一种依靠安装在列车上的电磁铁与轨道之间的吸引力使列车悬浮在轨道上运行的新型交通工具，以其安全、舒适、高速、无污染等优点赢得越来越多的关注。EMS型低速磁浮列车的电磁铁与轨道构成列车的悬浮系统，该系统是一个不稳定系统，必须通过反馈控制，才能实现列车的稳定悬浮。悬浮性能主要取决于悬浮控制方法。悬浮控制方法的关键在于设计一个悬浮控制系统，由悬浮控制系统根据当前悬浮系统的悬浮状态，通过控制电磁铁的电流来控制电磁力的大小，进而保证电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定的间隙值，从而实现磁浮列车的稳定悬浮。EMS型低速磁浮列车采用模块化转向架结构，如图1所示。每节车有四个转向架，每个转向架由左右两个悬浮模块(以下简称模块)组成，模块间通过防侧滚梁相连。每个模块安装有四个悬浮电磁铁(以下简称电磁铁)，沿列车行进方向将四个电磁铁分为两组，每组包含两个电磁铁，组内的两个电磁铁串联，等效为一个单电磁铁。模块之间基本上实现了机械解耦，具有独立的运动自由度，因此模块是EMS型低速磁浮列车的基本悬浮单元。目前采用的悬浮控制方法是单电磁铁控制方法，技术方案是将模块内部的两个单电磁铁视为两个完全独立的被控对象，分别进行悬浮控制器设计，每个模块需要两个悬浮控制器。如图2所示，模块的A端和模块B端分别安装有悬浮传感器组A和悬浮传感器组B，每组悬浮传感器均包括一个间隙传感器、一个加速度传感器和一个电流传感器。间隙传感器A和间隙传感器B用于测量模块A端和模块B端的悬浮间隙，加速度传感器A和加速度传感器B用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的运动加速度，电流传感器A和电流传感器B分别套在悬浮斩波器A和悬浮斩波器B的输出导线上，用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流。悬浮传感器组A将测量得到的A端的悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流)以模拟信号的形式通过电缆送到悬浮控制器A，悬浮控制器A根据来自悬浮传感器组A的悬浮状态和来自车载监控系统的悬浮/降落命令(L/D)，计算出控制量A，并输出到悬浮斩波器A，控制A端电磁铁的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；悬浮传感器组B将测量得到的B端的悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流)以模拟信号的形式通过电缆送到悬浮控制器B，悬浮控制器B根据来自悬浮传感器组B的悬浮状态和来自车载监控系统的悬浮/降落命令，计算出控制量B，并输出到悬浮斩波器B，控制B端电磁铁的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定。同时悬浮控制器A和悬浮控制器B通过通讯总线将故障状态和悬浮状态实时上传给位于列车驾驶台上的车载监控系统。车载监控系统接收到故障状态和悬浮状态后，在判断出现故障或者紧急情况时采取应急措施。另外，车载监控系统还通过电缆与悬浮控制器A和悬浮控制器B连接，用于向二者发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。事实上，模块是一个刚体，A端和B端的运动状态会通过力耦合的方式互相影响。单电磁铁控制方法将A端和B端之间的耦合视为悬浮控制系统的外部干扰，只是通过提高控制算法的鲁棒性加以抑制。因此单电磁铁控制方法存在原理上的缺陷，无法真正克服模块内部两点之间的相互影响，而且为了保证悬浮系统的控制性能，控制算法的复杂度和设计难度都比较大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于模块的悬浮控制方法，克服目前单电磁铁控制方法无法真正克服模块内部两点之间的相互影响的缺陷，提高悬浮控制的性能，降低控制算法的复杂度。本专利技术的技术方案是以整个模块为控制对象设计悬浮控制系统，悬浮控制系统中只包括一套悬浮控制器，悬浮控制器与悬浮斩波器A和悬浮斩波器B都相连，且与悬浮传感器组A和悬浮传感器组B均相连。悬浮控制器根据悬浮传感器组A测量得到的A端悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度、悬浮电流)和悬浮传感器组B测量得到的B端悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度、悬浮电流)，结合来自车载监控系统的悬浮/降落命令，分别计算出A端和B端的控制量，将A端控制量PWM_A以PWM(Pulse-Width Modulation，即脉冲宽度调制)波的形式输出到悬浮斩波器A，控制单电磁铁A的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；将B端的控制量PWM_B也以PWM波的形式输出到悬浮斩波器B，控制单电磁铁B的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定。悬浮控制器通过CAN总线将故障状态和悬浮状态实时上传给车载监控系统。车载监控系统接收到故障状态和悬浮状态后，在判断出现故障或者紧急情况时采取应急措施。另外，车载监控系统还通过电缆与悬浮控制器连接，用于向悬浮传感器发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。悬浮控制器由信号处理单元、A/D转换单元、时钟信号发生单元、主控DSP单元、PWM波发生单元以及辅助DSP单元组成。间隙传感器A和间隙传感器B分别测量A端和B端的悬浮间隙，输出电压型模拟信号；加速度传感器A和加速度传感器B分别测量单电磁铁A和单电磁铁B的竖直方向运动加速度，输出电压型模拟信号；电流传感器A和电流传感器B分别测量单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流，输出电流型模拟信号。上述传感器信号均送到信号处理单元进行处理。信号处理单元由模拟电路组成，包括两个直流偏置电路、两个隔直电路、两个电流—电压转换电路、4个放大电路、2个积分电路和6个滤波器。信号处理单元接受传感器信号，对间隙传感器A和间隙传感器B输出的间隙信号A和间隙信号B进行直流偏置、放大、滤波处理，输出电压型间隙信号Sd1和Sd2；对加速度传感器A和加速度传感器B输出的加速度信号A和加速度信号B进行隔值、积分、滤波处理，输出电压型速度信号Sv1和Sv2；将电流传感器A和电流传感器B输出的电流信号A和电流信号B转换成电压型信号，并对其进行放大、滤波处理，输出电压型模拟信号Si1和Si2。Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2同时送到A/D转换单元和辅助DSP单元。A/D转换单元采用同步采样的并行模数转换器，它根据主控DSP单元发出的转换指令，将由信号处理单元传来的三种悬浮传感器的电压型模拟信号即Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2分别转换成数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2。A/D转换单元在接收到主控DSP单元发出的读指令后，将数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2送到主控DSP单元。时钟信号发生单元采用集成晶振电路，产生一定频率的时钟信号CLK，为主控DSP单元、辅助DSP单元和PWM波发生单元提供时钟。主控DSP单元采用浮点数字信号处理器设计，内有程序控制器、定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元。程序控制器与定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元均通过内部总线相连，程序控制器设计有悬浮控制程序，定时器根据悬浮控制程序的设置，对时钟信号发生单元产生的时钟信号计数，每T(T为定时器的中断周期)秒产生一个中断信号，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，通过设计一个由悬浮控制器、悬浮传感器组Ａ和悬浮传感器组Ｂ、悬浮斩波器Ａ和悬浮斩波器Ｂ组成的悬浮控制系统，由悬浮控制系统通过控制电磁铁的电流来控制电磁力的大小，以保证电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定的间隙值，从而实现磁浮列车的稳定悬浮；其特征在于设计悬浮控制系统时以整个悬浮模块为控制对象，悬浮控制系统只包括一套悬浮控制器，它与悬浮斩波器Ａ和悬浮斩波器Ｂ都相连，且与悬浮传感器组Ａ和悬浮传感器组Ｂ均相连；悬浮控制器根据悬浮传感器组Ａ测量得到的Ａ端悬浮状态和悬浮传感器组Ｂ测量得到的Ｂ端悬浮状态，结合来自车载监控系统的悬浮／降落命令，分别计算出Ａ端和Ｂ端的控制量，将Ａ端控制量输出到悬浮斩波器Ａ，控制单电磁铁Ａ的电流大小，进而控制Ａ端电磁力的大小，保证模块Ａ端与轨道之间的间隙保持恒定；将Ｂ端的控制量输出到悬浮斩波器Ｂ，控制单电磁铁Ｂ的电流大小，进而控制Ｂ端电磁力的大小，保证模块Ｂ端与轨道之间的间隙保持恒定；同时悬浮控制器通过ＣＡＮ总线将故障状态和悬浮状态实时上传给车载监控系统。

【技术特征摘要】
1.一种电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，通过设计一个由悬浮控制器、悬浮传感器组A和悬浮传感器组B、悬浮斩波器A和悬浮斩波器B组成的悬浮控制系统，由悬浮控制系统通过控制电磁铁的电流来控制电磁力的大小，以保证电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定的间隙值，从而实现磁浮列车的稳定悬浮；其特征在于设计悬浮控制系统时以整个悬浮模块为控制对象，悬浮控制系统只包括一套悬浮控制器，它与悬浮斩波器A和悬浮斩波器B都相连，且与悬浮传感器组A和悬浮传感器组B均相连；悬浮控制器根据悬浮传感器组A测量得到的A端悬浮状态和悬浮传感器组B测量得到的B端悬浮状态，结合来自车载监控系统的悬浮/降落命令，分别计算出A端和B端的控制量，将A端控制量输出到悬浮斩波器A，控制单电磁铁A的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；将B端的控制量输出到悬浮斩波器B，控制单电磁铁B的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定；同时悬浮控制器通过CAN总线将故障状态和悬浮状态实时上传给车载监控系统。2.如权利要求1所述的电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，其特征在于悬浮控制器的设计方法是它由信号处理单元、A/D转换单元、时钟信号发生单元、主控DSP单元、PWM波发生单元以及辅助DSP单元组成2.1信号处理单元由模拟电路组成，包括两个直流偏置电路、两个隔直电路、两个电流-电压转换电路、4个放大电路、2个积分电路和6个滤波器；信号处理单元接受传感器信号，对间隙传感器A和间隙传感器B输出的间隙信号A和间隙信号B进行直流偏置、放大、滤波处理，输出电压型间隙信号Sd1和Sd2；对加速度传感器A和加速度传感器B输出的加速度信号A和加速度信号B进行隔值、积分、滤波处理，输出电压型速度信号Sv1和Sv2；将电流传感器A和电流传感器B输出的电流信号A和电流信号B转换成电压型信号，并对其进行放大、滤波处理，输出电压型模拟信号Si1和Si2；Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2同时送到A/D转换单元和辅助DSP单元；2.2 A/D转换单元采用同步采样的并行模数转换器，它根据主控DSP单元发出的转换指令，将由信号处理单元传来的三种悬浮传感器的电压型模拟信号即Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2分别转换成数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2，A/D转换单元在接收到主控DSP单元发出的读指令后，将数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2送到主控DSP单元；2.3时钟信号发生单元采用集成晶振电路，产生时钟信号CLK，为主控DSP单元、辅助DSP单元和PWM波发生单元提供时钟；2.4主控DSP单元采用浮点数字信号处理器设计，内有程序控制器、定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元；程序控制器与定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元均通过内部总线相连，程序控制器设计有悬浮控制程序，定时器根据悬浮控制程序的设置，对时钟信号发生单元产生的时钟信号计数，每T秒产生一个中断信号并送到程序控制器，T为定时器的中断周期；寄存器根据悬浮控制程序的配置，保存DSP工作方式和内部状态；数字I/O单元在程序控制器的控制下，向A/D转换单元输出A/D转换指令和A/D转换结果读取指令，接收来自车载监控系统的L/D指令、RESET信号以及来自A/D转换单元的转换完毕状态信号并送到程序控制器；运算单元完成悬浮控制程序中涉及的所有算术/逻辑运算，最终得到模块A端和模块B端的控制量CV1和CV2，并在程序控制器的控制下，将CV1和CV2通过总线送至PWM波发生单元。2.5 PWM波发生单元包括两个具有完全相同逻辑结构的PWM波发生器即PWM波发生器A和PWM波发生器B，分别将CV1和CV2转换成悬浮斩波器可以接受的定周期PWM波信号PWM1和PWM2；2.6辅助DSP单元采用具有A/D转换功能和CAN通讯功能的DSP，将来自信号处理单元的传感器信号采集到DSP内部，检测传感器的故障状态和悬浮状态，并将故障状态和悬浮状态通过CAN总线实时上传给车载监控系统。3.如权利要求1或2所述的电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，张锟，刘德生，王洪坡，常文森，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]