一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统，包括车载计算机、以太网网关、多个网络节点及多个悬浮电磁铁；所述车载计算机通过以太网网关与网络节点相连，由网络节点控制悬浮电磁铁；所述网络节点包括一个EtherCAT主站及n+m+k个从站，所述从站包括n个悬浮控制系统协同控制器、m个悬浮传感器及k个集成斩波器，各个从站之间及从站与EtherCAT主站之间采用以太网通信，通过EtherCAT总线实现串联。实现了多个控制回路之间的协同控制及各个悬浮控制器之间的信息互传，同时通过反馈控制策略结合交叉耦合控制算法计算悬浮电磁铁的控制电流，提高了悬浮控制的抗干扰性能。与现有技术相比，本发明专利技术具有等传输速度快、抗干扰性能高及成本低等优点。扰性能高及成本低等优点。扰性能高及成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统


[0001]本专利技术涉及磁浮列车领域，尤其是涉及一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统。

技术介绍

[0002]磁浮列车在运行时车轨之间除供电靴轨接触外没有其它机械接触，降低了机械磨损，减少了摩擦噪声，具有较高的环保优势，逐渐成为一种新型的轨道交通工具。高速磁浮列车能够有效突破轮轨接触造成的速度上限，从而以较低的能耗达到更高的运行速度。而中低速磁浮列车在运行过程中较低的机械噪声是现有的轻轨、地面轨道交通所无法比拟的。
[0003]如图1所示，目前磁浮列车悬浮系统在不同列车部件之间采用了不同数据传输方式。悬浮控制系统的传感器与控制器之间采用自定协议，即同步RS485协议进行数据传输，控制器与斩波器之间采用I/O电平连接、控制器与车载控制/诊断计算机之间采用CAN总线实现数据传输，即多个悬浮点采用同一根CAN总线串联，与车载控制/诊断计算机构成环路。此外，单一控制器对一个悬浮点进行点对点控制，通过反馈控制输出控制电流对列车悬浮状态进行实时调节，从而达到稳定悬浮的目的。
[0004]但是，现有的磁浮列车悬浮控制系统的数据传输及控制方式存在以下问题：1、由于各个列车部件之间采用不同方式进行数据传输，造成了通讯程序代码适用性较差，从而调试比较困难，并且造成器件必须进行特殊设计；2、目前控制器与上位机之间采用CAN总线进行通讯，其最大通讯速率较小，从而造成程序烧写时会浪费大量时间；3、由于悬浮斩波器重量较大，目前点对点的悬浮控制方式需要在每一悬浮点附近配置独立斩波器用于保证列车悬浮，导致列车自重过大，为保证悬浮稳定性，不得不降低运行过程中的额定载客量；4、传感器与控制器之间采用同步485接口或模拟接口，导致控制器接收传感器信号的速度无法大幅提高，并且目前调试网和诊断网采用CAN总线进行通讯，在分别传输的同时无法适用大数据量的高速传输。5、当前点对点的悬浮控制算法为考虑到多悬浮点之间的耦合影响，无法实现各个悬浮控制器得到信息通讯，因此在抗干扰能力方面有所欠缺。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统，其特征在于，包括车载计算机、以太网网关、多个网络节点及多个悬浮电磁铁；所述车载计算机通过以太网网关与网络节点相连，并由网络节点控制悬浮电磁铁；
[0008]所述网络节点包括一个EtherCAT主站及n+m+k个从站，所述从站包括n个悬浮控制系统协同控制器、m个悬浮传感器及k个集成斩波器；EtherCAT主站与第一个悬浮控制系统
协同控制器相连，随后n个悬浮控制系统协同控制器依次相连，后接m个依次相连的悬浮传感器，后接k个依次相连的集成斩波器；其中，n>0，m>0，k>0；
[0009]所述各个从站之间及从站与EtherCAT主站之间采用以太网通信，通过EtherCAT总线实现串联。从而可以实现多个从站基于EtherCAT主站经由以太网网关与车载计算机进行串联，通过以太网实现悬浮控制器与车载计算机的信息交互。
[0010]进一步地，利用交叉耦合控制器，基于反馈控制策略结合交叉耦合控制算法计算悬浮电磁铁的控制电流，包括以下步骤：
[0011](1)获取a路悬浮点的悬浮间隙，通过以太网网关传递到悬浮控制系统协同控制器，并将悬浮间隙与预设的期望悬浮间隙分别进行差值运算，得到悬浮间隙误差；
[0012](2)将同时到达悬浮控制系统协同控制器的a路悬浮间隙输入交叉耦合协同控制器进行比较，以悬浮间隙误差最小的一路悬浮间隙信号为基准，进行动态调整，并计算补偿电流；
[0013](3)由负反馈得到的悬浮间隙误差信号进入反馈控制器，通过反馈控制策略得到电流值，该电流值与所述补偿电流进行叠加，得到悬浮电磁铁的控制电流；
[0014]其中，所述交叉耦合控制器包括交叉耦合协同控制器和反馈控制器。
[0015]进一步地，悬浮控制系统协同控制器基于DSP实现控制电流计算，一个悬浮控制系统协同控制器能够计算多个悬浮电磁铁所需的控制电流，一个悬浮系统协同控制器可用于计算多个电磁铁所需控制电流，计算控制电流通过EtherCAT总线进行下发，各个集成斩波器从站进行取用并控制功率开关。
[0016]进一步地，在一个通信周期内，车载计算机通过EtherCAT主站向从站发送数据，由第一个悬浮控制系统协同控制器为起点发送数据帧，期间各个从站根据寻址并基于自身需求从数据帧中提取数据，并把反馈数据写入数据帧中，数据帧最后达到第k个集成斩波器；
[0017]若检测到用于连接收发数据线的RJ45网口悬空，则产生闭合回环，数据帧从第k个集成斩波器返回，并实现数据帧的逐级扩展，期间各个从站基于自身需求从数据帧中提取或写入数据，数据帧最后达到EtherCAT主站，并经由以太网网关发送到车载计算机。
[0018]进一步地，EtherCAT主站向各个从站发送的数据包括调整参数及悬浮电磁铁的控制电流等；各个从站向EtherCAT主站发送的数据包括：由悬浮控制系统协同控制器计算的电流信号、由悬浮传感器测量得到的传感器信号、加速度信号以及集成斩波器的控制信号等。
[0019]进一步地，所述悬浮控制系统协同控制器采用单点闭环控制与多点交叉耦合控制结合的方式，实现同步多悬浮电磁铁的协同控制。
[0020]具体公式刻画为：
[0021]u＝u0+k1(x1‑
x3‑
x0)+k2x2‑
k3x4+k4(c1‑
c2)+k5∫
0t
(c1‑
c2)dt
[0022]其中，u为对电磁铁进行驱动控制的电压量；k1、k2、k3、k4、k5是与所述调整参数有关的反馈增益；u0为通过对悬浮间隙误差进行积分得到的固定电压值，用以消除静态误差；x0为期望悬浮间隙；x1为电磁铁离开坐标原点的位移，x2为电磁铁距离坐标原点x1情况下的速度，x3为当前电磁力下将产生的电磁铁离开坐标原点的位移变化量，x4为垂向加速度，c1和c2分别为两块需要进行输出协同的电磁铁的对应悬浮间隙；
[0023]所述公式中的k1(x1‑
x3‑
x0)+k2x2对应单点闭环控制方式，
对应多点交叉耦合控制方式。
[0024]进一步地，各个从站之间及从站与主站之间采用全双工模式进行实时通信。
[0025]进一步地，悬浮控制系统协同控制器基于FPGA实现以太网传输。
[0026]进一步地，各个从站之间内部相对独立，EtherCAT主站与各个从站在IP层具有网段IP地址与站点IP地址，且EtherCAT主站和各个从站均具有独立的MAC地址，用于不同悬浮控制系统协同控制器从站取用不同传感器从站数据，或不同集成斩波器取用不同控制器数据，通过从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统，其特征在于，包括车载计算机、以太网网关、多个网络节点及多个悬浮电磁铁；所述车载计算机通过以太网网关与网络节点相连，并由网络节点控制悬浮电磁铁；所述网络节点包括一个EtherCAT主站及n+m+k个从站，所述从站包括n个悬浮控制系统协同控制器、m个悬浮传感器及k个集成斩波器；EtherCAT主站与第一个悬浮控制系统协同控制器相连，随后n个悬浮控制系统协同控制器依次相连，后接m个依次相连的悬浮传感器，后接k个依次相连的集成斩波器；其中，n>0，m>0，k>0；所述各个从站之间及从站与EtherCAT主站之间采用以太网通信，通过EtherCAT总线实现串联。2.根据权利要求1所述的一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统，其特征在于，利用交叉耦合控制器，基于反馈控制策略结合交叉耦合控制算法计算悬浮电磁铁的控制电流，包括以下步骤：获取a路悬浮点的悬浮间隙，通过以太网网关传递到悬浮控制系统协同控制器，并将悬浮间隙与预设的期望悬浮间隙分别进行差值运算，得到悬浮间隙误差；将同时到达悬浮控制系统协同控制器的a路悬浮间隙输入交叉耦合协同控制器进行比较，以悬浮间隙误差最小的一路悬浮间隙信号为基准，进行动态调整，并计算补偿电流；由负反馈得到的悬浮间隙误差信号进入反馈控制器，通过反馈控制策略得到电流值，该电流值与所述补偿电流进行叠加，得到悬浮电磁铁的控制电流；其中，所述交叉耦合控制器包括交叉耦合协同控制器和反馈控制器。3.根据权利要求2所述的一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统，其特征在于，悬浮控制系统协同控制器基于DSP实现控制电流计算，一个悬浮控制系统协同控制器能够计算多个悬浮电磁铁所需的控制电流。4.根据权利要求1所述的一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系统，其特征在于，在一个通信周期内，车载计算机通过EtherCAT主站向从站发送数据，由第一个悬浮控制系统协同控制器为起点发送数据帧，期间各个从站根据寻址并基于自身需求从数据帧中提取数据，并把反馈数据写入数据帧中，数据帧最后达到第k个集成斩波器；若检测到用于连接收发数据线的RJ45网口悬空，则产生闭合回环，数据帧从第k个集成斩波器返回，并实现数据帧的逐级扩展，期间各个从站基于自身需求从数据帧中提取或写入数据，数据帧最后达到EtherCAT主站，并经由以太网网关发送到车载计算机。5.根据权利要求1所述的一种基于以太网通信的磁浮列车悬浮控制系...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐俊起，荣立军，陈琛，吉文，孙友刚，倪菲，胡轲珽，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：