CN101239592A - 磁悬浮列车的控制器 - Google Patents

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佘龙华
邹东升
郝阿明
李晓龙
常文森
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Abstract

本发明的一种磁悬浮列车的控制器，它包括分别用来执行磁悬浮列车控制系统中不同任务的两个或两个以上的控制单元以及通讯单元，两个控制单元之间通过通讯单元依次相连。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、控制稳定性更好、运行效率更高、安全性更好的磁悬浮列车的控制器。

Description

磁悬浮列车的控制器
技术领域
本发明主要涉及到磁悬浮列车的控制设备领域，特指一种磁悬浮列车的控制器。
背景技术
磁悬浮列车通过磁力支撑使列车车体与轨道脱离机械接触，磁悬浮列车控制系统的原理框图如图1所示。如图1所示，磁悬浮列车控制系统主要由传感器、控制器、放大执行机构和磁悬浮车体构成。传感器测量悬浮间隙，产生数字或者模拟信号送达控制器，由控制器计算产生控制信号输出给功率放大装置，功率放大装置驱动电磁铁，产生悬浮力把车体悬浮在预定的位置。由此可知，磁悬浮列车必须具有性能优良的悬浮、导向和制动控制系统，以确保运行的高度安全舒适，而悬浮、导向和制动控制系统的核心是相应的控制器，因此设计功能强大、性能优良的悬浮控制器、导向控制器、制动控制器是保证磁浮列车安全舒适运行的重要保障。以下对悬浮控制器、导向控制器、制动控制器合称为磁浮列车控制器，简称为控制器。
控制器的软件算法涉及到稳定性、鲁棒性、可靠性、安全性、冗余性、舒适性等方面，它需要完成很多运算任务，在某些情况下执行时间段内的计算资源已经使用到极限，为编写高效程序需要消耗程序员大量的精力和时间去关心运行速度，有时甚至无法满足要求。同时，由于运算任务的高度集成，导致系统的升级设计、安全性设计都十分复杂，实施难度很大。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、控制稳定性更好、运行效率更高、安全性更好的磁悬浮列车的控制器。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种磁悬浮列车的控制器，其特征在于：它包括分别用来执行磁悬浮列车控制系统中不同任务的两个或两个以上的控制单元以及通讯单元，每两个控制单元之间通过通讯单元依次相连。
所述控制单元包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元负责接受传感器的信号，经过滤波以及变换后存储在通讯单元中，同时形成第二控制单元的中断信号，第二控制单元利用中断程序取走通讯单元中的数据，经过运算后形成控制信号。
所述第一控制单元和第二控制单元采用DSP，第一控制单元片上的A/D转换器单元用来与传感器相连、RAM扩展单元用来与通讯单元相连，第二控制单元片上的RAM扩展单元用来通过通讯单元与第一控制单元相连、PWM单元用来与整个控制系统的执行机构相连。
所述通讯单元为双口RAM或高速总线。
所述控制单元的DSP采用TMS320F2812。
所述通讯单元的双口RAM采用IDT70V24，高速总线采用SPI总线。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1、本发明磁悬浮列车的控制器，由于采取了多DSP协同处理方案，控制软件的运算任务被分配到多个DSP，运算能力得到极大提高；并可以进行复杂的算法，提高控制系统性能，为乘客提供更舒适的乘坐环境；
2、本发明磁悬浮列车的控制器，其控制软件的运算任务被分成不同的组成部分，分别由不同的DSP分别处理，提升了系统的安全级别。对于安全级别特别高的运算任务，可由多个DSP冗余处理，实现更高级别的安全和冗余性；
3、本发明磁悬浮列车的控制器，其控制软件的运算任务被分成不同的组成部分，由不同的DSP分别处理，使开发者可以针对不同的组成部分分别进行改进、升级；
4、本发明磁悬浮列车的控制器，其控制软件可以设立专门的DSP进行模型辨识和参数自适应，提高控制系统的稳定性和鲁棒性。
附图说明
图1是整个磁悬浮列车控制系统的框架结构示意图；
图2是实施例中具有双控制单元的控制器的框架结构示意图；
图3是双DSP控制器实施例中的第二控制单元框架结构示意图；
图4是双DSP控制器实施例中的第一控制单元框架结构示意图；
图5是第二控制单元中电源及仿真口的电路示意图；
图6是第二控制单元中存储单元的电路示意图；
图7是第二控制单元中片上外设的电路示意图；
图8是双口RAM的电路示意图；
图9是本发明具有多个控制单元的控制器的框架结构示意图；
图10是本发明的通讯单元采用高速总线时的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，在本实施例中，本发明的磁悬浮列车的控制器，它包括分别用来执行磁悬浮列车控制系统中不同任务的第一控制单元1、第二控制单元2以及通讯单元3，第一控制单元1和第二控制单元2通过通讯单元3相连。其中，第一控制单元1和第二控制单元2为可实现控制器软件算法的可编程部件，可采用两个相同的DSP(例如，DSP可采用型号TMS320F2812)。整个控制器的软件运算任务分配到两个DSP分别进行处理，各DSP通过通讯单元3或共享内存的方式实现数据交换和协同工作。在本实施例中，通讯单元3采用双口RAM(例如，型号为IDT70V24)。第一控制单元1负责接受传感器的信号，经过滤波以及变换后存储在通讯单元3(双口RAM)中，同时形成第二控制单元2的中断信号，第二控制单元2利用中断程序取走通讯单元3(双口RAM)中的数据，经过运算后形成控制信号。两块DSP通过双口RAM交换信息。当然也可以采用高速总线方式，这里仅提供一种实施方案，IDT70V24是双端口可操作的高速存储器，并且配备有握手信号，可以实现DSP之间数据的并行高速传递。当DSP之间采用高速总线的方式来交换内容时，以SPI总线为例，具体实施方式如图10所示，两个DSP一个为主，一个为从。主DSP输出SPICLK信号作为数据交换的时钟信号；SPISTE为使能信号；SPISOMI对主DSP为输入信号，从DSP为输出信号；SPISIMO对主DSP为输出信号，从DSP为输入信号。当主DSP需要发送数据到从DSP时，输出一串时钟信号，同时把数据发出；从DSP接到时钟，知道有数据传输，就把数据从总线上接受过来，同时把一些数据发送出去。两个DSP以双工的方式完成数据的交换。
如图3所示，第二控制单元2上包括CAN控制器单元、定时器单元、PWM单元、捕获单元、通用串口单元、高速串行SPI口单元、A/D转换器单元、通用IO口单元等丰富的片设资源，并采用程序、数据和IO统一编址的方式，其中CAN控制器单元可以用来通过总线与第一控制单元1相连，通用I/O口单元用来提供数字量的输入和输出，用来与其余功能模块相连。SPI单元可以用来通过串行接口与第一控制单元1相连，内部RAM、ROM、FLASH用来存储软件(包括程序和数据)，RAM扩展单元用来通过双口RAM与第一控制单元1相连，PWM单元用来与整个控制系统的执行机构相连。
如图4所示，第一控制单元1上同样也包括CAN控制器单元、定时器单元、PWM单元、捕获单元、通用串口单元、高速串行SPI口单元、A/D转换器单元、通用IO口单元等丰富的片设资源，并采用程序、数据和IO统一编址的方式，其中A/D转换器单元用来与传感器相连，CAN控制器单元可以用来通过总线与第二控制单元2相连，通用I/O口单元用来提供数字量的输入和输出，用来与其余功能模块相连。SPI单元用来通过串行接口与第一控制单元1相连，内部RAM、ROM、FLASH用来存储软件(包括程序和数据)，RAM、ROM、FLASH分别位于不同的地址空间，RAM扩展单元用来通过双口RAM与第二控制单元2相连。
如图5、图6和图7所示，为一块DSP芯片的结构示意图，分别为一块DSP的A、B、C三部分。因为另一块DSP的原理和接线基本一致，可以很容易的实现，所以没有给出重复的原理图。U6为DSP的原理图，U7为双口RAM的原理图。U6的A0-A11与U7的A0-A11直接连接，其功能为地址线，用来做数据内容存储的地址；U6的D0-D15与U7的D0-D15直接连接，其功能为数据线，用来做存储的内容；U6的A12与U7的/CEL直接连接，其功能为片选线，用来选中该芯片，以对其进行操作；U6的XR/W与U7的R/WL直接连接，其功能为读写控制线，用来读取和写入存储的内容；U6的XINT1与U7的/INTL直接连接，其功能为中断线，用来通知CPU做相应动作；U6的XREADY与U7的/BUSYL直接连接，其功能为忙信号线，表示该时间内CPU处于忙碌状态。
在软件方面，基于并行计算的思想，采用两DSP分工方案，把悬浮列车控制任务分配到两个DSP并行处理，协调完成控制功能。DSP在悬浮列车处理系统中的功能分别为：其中一个具体负责用悬浮列车控制算法产生控制量以调节PWM占空比，悬浮列车控制系统的状态估计和参数自校正等工作；另外一个则负责通信接口、A/D数据采集和滤波处理。
综上所述，磁悬浮列车控制器采用两DSP的并行处理方案，解决了如下问题：①以清晰的逻辑完成磁悬浮控制任务的分工问题；②以双口RAM解决了控制器内部DSP之间的通讯协调问题；③妥善解决控制器内部多DSP并行计算问题，控制循环的周期缩短了1/2。
如图9所示，当本发明磁悬浮列车的控制器采用两个以上的DSP时，控制器包含多个DSP，DSP1(采用TMS320F2812)负责接受传感器信号，通过双口RAM(采用IDT70V24)送到DSP2(采用TMS320F2812)，经过滤波以及变换后送到DSP3(采用TMS320F2812)，经过运算形成控制信号，同时传感器信号送到相应DSP完成其它任务。
在软件方面，基于并行计算的思想，采用多DSP分工方案，协调完成控制功能，把悬浮列车控制任务分配到多个DSP并行处理。DSP在悬浮列车处理系统中的功能分别为：A/D数据采集，用一个DSP实现；数据滤波处理，用一个DSP实现；用悬浮列车控制算法产生控制量以调节PWM占空比，用一个DSP实现；与其它控制器及其它车载设备通讯，用一个DSP实现；需控制器控制的车载单元，用一个DSP实现；悬浮列车控制系统的状态估计和参数自校正等工作，用一个DSP实现。
综上所述，磁悬浮列车控制器采用多DSP的并行处理方案，解决了如下问题：①控制器内部多DSP并行计算问题；②控制器内部DSP之间的通讯协调问题；③完成磁悬浮控制任务的分工问题。

Claims (6)

1、一种磁悬浮列车的控制器，其特征在于：它包括分别用来执行磁悬浮列车控制系统中不同任务的两个或两个以上的控制单元以及通讯单元，每两个控制单元之间通过通讯单元(3)依次相连。
2、根据权利要求1所述的磁悬浮列车的控制器，其特征在于：所述控制单元包括第一控制单元(1)和第二控制单元(2)，第一控制单元(1)负责接受传感器的信号，经过滤波以及变换后存储在通讯单元(3)中，同时形成第二控制单元(2)的中断信号，第二控制单元(2)利用中断程序取走通讯单元(3)中的数据，经过运算后形成控制信号。
3、根据权利要求2所述的磁悬浮列车的控制器，其特征在于：所述第一控制单元(1)和第二控制单元(2)采用DSP，第一控制单元(1)片上的A/D转换器单元用来与传感器相连、RAM扩展单元用来与通讯单元(3)相连，第二控制单元(2)片上的RAM扩展单元用来通过通讯单元(3)与第一控制单元(1)相连、PWM单元用来与整个控制系统的执行机构相连。
4、根据权利要求1或2或3所述的磁悬浮列车的控制器，其特征在于：所述通讯单元(3)为双口RAM或高速总线。
5、根据权利要求1或2或3所述的磁悬浮列车的控制器，其特征在于：所述控制单元的DSP采用TMS320F2812。
6、根据权利要求4所述的磁悬浮列车的控制器，其特征在于：所述通讯单元(3)的双口RAM采用IDT70V24，高速总线采用SPI总线。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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