CN103522913B - 用于ems型低速悬浮列车的悬浮控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法及装置，方法步骤如下：分别采集传感器组的间隙信号、加速度信号和电流信号；将对应同一悬浮模块的两个传感器组的间隙信号、加速度信号和电流信号组合计算得到两路悬浮控制量；将两路悬浮控制量作为反馈控制悬浮模块的两个单电磁铁的电流大小来确保悬浮模块与轨道之间的悬浮间隙保持恒定；装置包括第一传感器组、第二传感器组和悬浮控制器，悬浮控制器包括悬浮控制板、第一悬浮斩波器和第二悬浮斩波器。本发明能够克服目前单点悬浮控制方法无法真正克服的模块内两点相互影响的缺陷、减少单转向架悬浮控制器数量、减轻悬浮控制器质量、降低悬浮控制器制造成本，提高悬浮控制器的可靠性。

Description

用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法及装置

技术领域

本发明涉及速悬浮列车领域，具体涉及一种用于EMS(Electro Magnetic Suspension，简称EMS)型低速悬浮列车的悬浮控制方法及装置。

背景技术

EMS(Electro Magnetic Suspension，简称EMS)型低速悬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型低速悬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，悬浮控制方法的实现关键在于设计一个悬浮控制器，由控制器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。

如图1、图2和图3所示，现有技术的EMS型低速悬浮列车采用模块化转向架结构，每节车体53有四个转向架54，每个转向架54由左右两个悬浮模块5组成。同一转向架54的两个悬浮模块5之间通过防侧滚梁55相连，每一个悬浮模块5包含位于两端的第一悬浮点和第二悬浮点，位于A端的第一悬浮点包含第一传感器组1、A端悬浮控制器10和由两个悬浮电磁铁50串联形成的第一单电磁铁51，位于B端的第二悬浮点包含第二传感器组2、B端悬浮控制器20和由两个悬浮电磁铁50串联形成的第二单电磁铁52。地面上设有枕轨56，枕轨56的两侧设有呈F形的轨道57，第一单电磁铁51、第二单电磁铁52则通过磁力保持与轨道57悬浮。第一传感器组1和第二传感器组2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。第一传感器组1的间隙传感器用于测量第一悬浮点(悬浮模块5的A端)的悬浮间隙，第二传感器组2的间隙传感器用于测量第二悬浮点(悬浮模块5的B端)的悬浮间隙；第一传感器组1的加速度传感器用于测量第一单电磁铁51的运动加速度，第二传感器组2的加速度传感器用于测量第二单电磁铁52的运动加速度；第一传感器组1的电流传感器套在第一单电磁铁51的输入输出导线上来检测第一单电磁铁51的悬浮电流，第二传感器组2的电流传感器套在第二单电磁铁52的输入输出导线上来检测第二单电磁铁52的悬浮电流。第一传感器组1将测量得到的A端的悬浮状态信号分别以数字信号(悬浮间隙、加速度)和模拟信号(悬浮电流)的形式通过电缆送到A端悬浮控制器10上的A端悬浮控制板101，A端悬浮控制板101根据来自第一传感器组1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A端悬浮控制器10上的A端悬浮斩波器102来控制A端的第一单电磁铁51的电流大小，进而控制A端的悬浮电磁力的大小，保证A端与轨道57之间的悬浮间隙保持恒定；第二传感器组2将测量得到的B端的悬浮状态信号分别以数字信号(悬浮间隙、加速度)和模拟信号(悬浮电流)的形式通过电缆送到B端悬浮控制器20上的B端悬浮控制板201，B端悬浮控制板201根据来自第二传感器组2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B，并输出到B端悬浮控制器20上的B端悬浮斩波器202来控制B端第二单电磁铁52的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证B端与轨道57之间的悬浮间隙保持恒定。同时A端悬浮控制板101和B端悬浮控制板201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A端悬浮控制板101和B端悬浮控制板201连接，用于向二者发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。

现有技术的悬浮模块5之间基本上实现了机械解耦，具有独立的运动自由度，因此悬浮模块5是EMS型低速磁浮列车的基本悬浮单元。但是，现有技术的悬浮控制器是基于单电磁铁控制方法设计的，视悬浮模块5内的第一单电磁铁51和第二单电磁铁52为完全独立的被控对象，通过两个悬浮控制器控制，这样每个悬浮模块5则需要两个悬浮控制器。但是，事实上悬浮模块5是一个刚体，悬浮模块5上位于A端的第一悬浮点和位于B端的第二悬浮点之间的运动状态会通过力耦合的方式互相影响。而现有技术的单电磁铁控制方法将悬浮模块5A端额第一悬浮点和的第二悬浮点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，基于这种方法设计的控制器不仅无法真正克服模块内部两点之间的相互影响，而且一个转向架需要挂载四个悬浮控制器，使得单转向机承载的控制器数量较多、质量较大，控制器制造成本和出现故障的风险也较高。此外，采用模块方法设计的控制器能够有效的解决单点控制器存在的缺陷，但是同样也面临模块两点耦合的问题，因为得到的控制量融合了同一悬浮模块5上A端和B端的悬浮状态信息，整个悬浮模块5全面悬浮状态的信息虽然能够明显的改善悬浮控制性能，但是一个悬浮点的失控也会影响到另一个悬浮点的控制。因此，如何解决同一悬浮模块5的A端和B端之间的耦合问题是设计模块化控制器的关键，已经成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够克服目前单点悬浮控制方法无法真正克服的模块内两点相互影响的缺陷、减少单转向架悬浮控制器数量、减轻悬浮控制器质量、降低悬浮控制器制造成本，提高悬浮控制器的可靠性的用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法，其实施步骤如下：

1)采集各个悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流；

2)分别将同一悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流根据式(1)分别计算得到每一个悬浮模块的第一悬浮点的悬浮控制量和第二悬浮点的悬浮控制量；

$\begin{array}{c}{f}_1\left(z_1,a_1,i_1,z_2,a_2\right)=\frac{3}{4}\[k_{p1}\·\left(z_1-z_{10}\right)+k_{d1}\·\∫a_{1}dt\]+\frac{1}{4}\[k_{p2}\·\left(z_2-z_{20}\right)+k_{d2}\·\∫a_{2}dt\]+k_{i1}\·\∫\left(z_1-z_{10}\right)dt\\ f_2\left(z_1,a_1,i_2,z_2,a_2\right)=\frac{1}{4}\[k_{p1}\·\left(z_1-z_{10}\right)+k_{d1}\·\∫a_{1}dt\]+\frac{3}{4}\[k_{p2}\·\left(z_2-z_{20}\right)+k_{d2}\·\∫a_{2}dt\]+k_{i2}\·\∫\left(z_2-z_{20}\right)dt\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，f₁(z₁,a₁,i₁,z₂,a₂)为第一悬浮点的悬浮控制量，f₂(z₁,a₁,i₂,z₂,a₂)为第二悬浮点的悬浮控制量；z₁为第一悬浮点的悬浮间隙，z₁₀为第一悬浮点的设定悬浮间隙，a₁为第一悬浮点的加速度，i₁为第一悬浮点的悬浮电流，k_p1为第一悬浮点的系统刚度，k_i1为第一悬浮点的积分增益，k_d1为第一悬浮点的系统阻尼；z₂为第二悬浮点的间隙信号，z₂₀为第二悬浮点的设定悬浮间隙，a₂为第二悬浮点的加速度，i₂为第二悬浮点的悬浮电流，k_p2为第二悬浮点的系统刚度，k_i2为第二悬浮点的积分增益，k_d2为第二悬浮点的系统阻尼；

3)将每一个悬浮模块第一悬浮点的悬浮控制量以PWM波的形式输出到该悬浮模块第一悬浮点的悬浮斩波器，通过第一悬浮点的悬浮斩波器控制第一悬浮点的第一单电磁铁电流大小来控制第一悬浮点的悬浮间隙保持恒定；同时，将每一个悬浮模块第二悬浮点的悬浮控制量以PWM波的形式输出到该悬浮模块第二悬浮点的悬浮斩波器，通过第二悬浮点的悬浮斩波器控制第二悬浮点的第二单电磁铁电流大小来控制第二悬浮点的悬浮间隙保持恒定。

本发明还提供一种用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置，包括第一传感器组、第二传感器组和悬浮控制器，所述悬浮控制器包括悬浮控制板、第一悬浮斩波器和第二悬浮斩波器，所述第一传感器组设于悬浮模块的一端，所述第二传感器组设于悬浮模块的另一端，所述第一传感器组和第二传感器组均包括加速度传感器、间隙传感器以及电流传感器，所述加速度传感器、间隙传感器、电流传感器的输出端分别与悬浮控制板相连，所述悬浮控制板的输出端分别通过第一悬浮斩波器与悬浮模块一端的第一单电磁铁相连、通过第二悬浮斩波器与悬浮模块另一端的第二单电磁铁相连。

作为本发明用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置的进一步改进：

所述悬浮控制板包括信号调理模块、数采模块和CPU模块，所述数采模块包括A/D转换单元和FPGA处理芯片，所述CPU模块包括PowerPC处理器和FPGA时序芯片，所述电流传感器的输出端通过A/D转换单元与FPGA处理芯片相连，所述加速度传感器、间隙传感器的输出端直接与FPGA处理芯片相连，所述FPGA时序芯片与FPGA处理芯片相连，所述FPGA处理芯片分别与第一悬浮斩波器、第二悬浮斩波器相连，所述FPGA处理芯片将加速度传感器、间隙传感器以及电流传感器的输出信号转发给PowerPC处理器，并将PowerPC处理器发送的两个悬浮控制量分别以PWM波的形式输出到第一悬浮斩波器和第二悬浮斩波器，通过所述第一悬浮斩波器控制悬浮模块一端的第一单电磁铁的电流大小、第二悬浮斩波器控制悬浮模块另一端的第二单电磁铁的电流大小来确保悬浮模块与轨道之间的悬浮间隙保持恒定。

所述第一悬浮斩波器包括相互连接的第一IGBT驱动板和第一IGBT半桥斩波电路，所述第二悬浮斩波器包括相互连接的第二IGBT驱动板和第二IGBT半桥斩波电路，所述第一IGBT驱动板的控制端、第二IGBT驱动板的控制端分别与FPGA处理芯片相连，所述第一IGBT半桥斩波电路的输出端与第一单电磁铁相连，所述第二IGBT半桥斩波电路的输出端与第二单电磁铁相连。

所述第一IGBT半桥斩波电路、第二IGBT半桥斩波电路均并联有两个稳压电容。

本发明用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法具有下述优点：本发明是基于模块化悬浮控制方法设计的思想，将一个悬浮模块的两个悬浮点作为一个整体对象进行研究，结合悬浮模块两端的悬浮状态信息，实时的将悬浮模块两端的相互影响纳入控制算法中主动加以抑制，这样先前位置的耦合信息就成为系统内部可测可控的状态量，将对应同一悬浮模块的两个传感器组的间隙信号、加速度信号和电流信号根据式(1)分别计算得到两路相互影响的悬浮控制量，将两路悬浮控制量分别以PWM波的形式输出到所述两个传感器组对应悬浮模块的悬浮斩波器，通过所述悬浮斩波器分别控制所述悬浮模块的两个单电磁铁的电流大小来确保悬浮模块与轨道之间的悬浮间隙保持恒定，而且通过式(1)计算悬浮控制量，即使任意一个悬浮点的失控，也能够确保不会影响到另一个悬浮点的控制，从而将耦合对系统性能的影响消除在萌芽状态，能够克服目前单点悬浮控制方法无法真正克服的模块内两点相互影响的缺陷、减少单转向架悬浮控制器数量、减轻悬浮控制器质量、降低悬浮控制器制造成本，提高磁浮列车悬浮性能以及可靠性。

本发明用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置为实现本发明用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法的装置，因此也具有本发明用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术EMS型低速悬浮列车的侧视结构示意图。

图2为现有技术EMS型低速悬浮列车的轴向结构示意图。

图3为现有技术单点悬浮控制装置的系统框架结构示意图。

图4为本发明实施例方法的流程示意图。

图5为本发明实施例装置的框架结构示意图。

图6为本发明实施例装置的包含悬浮控制板详细结构的电路原理结构示意图。

图7为本发明实施例装置中悬浮斩波器的的电路原理结构示意图。

图8为本发明实施例装置的实物结构示意图。

图9为本发明实施例与现有技术的悬浮性能实验对比曲线示意图。

图例说明：1、第一传感器组；10、A端悬浮控制器；101、A端悬浮控制板；102、A端悬浮斩波器；2、第二传感器组；20、B端悬浮控制器；201、B端悬浮控制板；202、B端悬浮斩波器；3、悬浮控制器；30、挡板；301、底板；302、插槽；303、第一航天接头；304、电源镇流器；305、电压检测板；306、第二航天插头；307、快速熔断器；31、悬浮控制板；311、信号调理模块；312、数采模块；3121、A/D转换单元；3122、FPGA处理芯片；313、CPU模块；3131、PowerPC处理器；3132、FPGA时序芯片；32、第一悬浮斩波器；321、第一IGBT驱动板；322、第一IGBT半桥斩波电路；33、第二悬浮斩波器；331、第二IGBT驱动板；332、第二IGBT半桥斩波电路；5、悬浮模块；50、悬浮电磁铁；51、第一单电磁铁；52、第二单电磁铁；53、车体；54、转向架；55、防侧滚梁；56、枕轨；57、轨道。

具体实施方式

如图4所示，本实施例用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法的实施步骤如下：

1)采集各个悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流；

2)分别将同一悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流根据式(1)分别计算得到每一个悬浮模块的第一悬浮点的悬浮控制量和第二悬浮点的悬浮控制量；

$\begin{array}{c}{f}_1\left(z_1,a_1,i_1,z_2,a_2\right)=\frac{3}{4}\[k_{p1}\·\left(z_1-z_{10}\right)+k_{d1}\·\∫a_{1}dt\]+\frac{1}{4}\[k_{p2}\·\left(z_2-z_{20}\right)+k_{d2}\·\∫a_{2}dt\]+k_{i1}\·\∫\left(z_1-z_{10}\right)dt\\ f_2\left(z_1,a_1,i_2,z_2,a_2\right)=\frac{1}{4}\[k_{p1}\·\left(z_1-z_{10}\right)+k_{d1}\·\∫a_{1}dt\]+\frac{3}{4}\[k_{p2}\·\left(z_2-z_{20}\right)+k_{d2}\·\∫a_{2}dt\]+k_{i2}\·\∫\left(z_2-z_{20}\right)dt\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，f₁(z₁,a₁,i₁,z₂,a₂)为第一悬浮点的悬浮控制量，f₂(z₁,a₁,i₂,z₂,a₂)为第二悬浮点的悬浮控制量；z₁为第一悬浮点的悬浮间隙，z₁₀为第一悬浮点的设定悬浮间隙，a₁为第一悬浮点的加速度，i₁为第一悬浮点的悬浮电流，k_p1为第一悬浮点的系统刚度，k_i1为第一悬浮点的积分增益，k_d1为第一悬浮点的系统阻尼；z₂为第二悬浮点的间隙信号，z₂₀为第二悬浮点的设定悬浮间隙，a₂为第二悬浮点的加速度，i₂为第二悬浮点的悬浮电流，k_p2为第二悬浮点的系统刚度，k_i2为第二悬浮点的积分增益，k_d2为第二悬浮点的系统阻尼；

3)将每一个悬浮模块第一悬浮点的悬浮控制量以PWM波的形式输出到该悬浮模块第一悬浮点的悬浮斩波器，通过第一悬浮点的悬浮斩波器控制第一悬浮点的第一单电磁铁电流大小来控制第一悬浮点的悬浮间隙保持恒定；同时，将每一个悬浮模块第二悬浮点的悬浮控制量以PWM波的形式输出到该悬浮模块第二悬浮点的悬浮斩波器，通过第二悬浮点的悬浮斩波器控制第二悬浮点的第二单电磁铁电流大小来控制第二悬浮点的悬浮间隙保持恒定。

本实施例以悬浮模块作为基本的控制对象，将同一悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流根据式(1)分别计算得到每一个悬浮模块的第一悬浮点的悬浮控制量CV₁和第二悬浮点的悬浮控制量CV₂(第一悬浮点的悬浮控制量CV₁和第二悬浮点的悬浮控制量CV₂具体如式(1)以及式(2)所示)，将每一个悬浮模块第一悬浮点的悬浮控制量CV₁以PWM波的形式(PWM1)输出到该悬浮模块第一悬浮点的悬浮斩波器，通过第一悬浮点的悬浮斩波器控制第一悬浮点的第一单电磁铁电流大小来控制第一悬浮点的悬浮间隙保持恒定；同时，将每一个悬浮模块第二悬浮点的悬浮控制量CV₂以PWM波的形式(PWM2)输出到该悬浮模块第二悬浮点的悬浮斩波器，通过第二悬浮点的悬浮斩波器控制第二悬浮点的第二单电磁铁电流大小来控制第二悬浮点的悬浮间隙保持恒定，从而能够有效的抑制悬浮模块两端之间的相互影响，克服了现有技术基于单电磁铁控制方法设计的控制器存在的固有缺陷，能够安全可靠地实现磁浮列车的稳定悬浮。

$\left[\begin{array}{c}C{V}_1\\ C{V}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{f}_1(z_1,a_1,i_1,z_2,a_2)\\ f_2(z_1,a_1,i_2,z_2,a_2)\end{array}\right]---\left(2\right)$

式(2)中，CV₁为第一悬浮点的悬浮控制量，CV₂为第二悬浮点的悬浮控制量，f₁(z₁,a₁,i₁,z₂,a₂)为第一悬浮点的悬浮控制量，f₂(z₁,a₁,i₂,z₂,a₂)为第二悬浮点的悬浮控制量，f₁(z₁,a₁,i₁,z₂,a₂)和f₂(z₁,a₁,i₂,z₂,a₂)的表达式具体如式(1)所示。

本实施例中，CV₁用于控制悬浮模块A端的悬浮间隙，CV₂用于控制悬浮模块B端的悬浮间隙，最后将悬浮控制量CV₁、CV₂以PWM(Pulse-Width Modulation，即脉冲宽度调制)波的形式输出到第一悬浮点和第二悬浮点的悬浮斩波器，分别控制控制第一悬浮点和第二悬浮点的单电磁铁电流大小，进而控制第一悬浮点和第二悬浮点单电磁铁的电磁力大小，保证悬浮模块A端、B端与轨道之间的悬浮间隙保持恒定。本实施例通过前述的式(1)使得A端控制量CV₁不仅包含A端的悬浮状态，还结合了B端悬浮状态，B端控制量CV₂也同时包含B端和A端的悬浮状态，本实施例通过式(1)计算悬浮控制量CV₁、CV₂，即使任意一个悬浮点的失控，也能够确保不会影响到另一个悬浮点的控制。

如图5所示，本实施例用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置包括第一传感器组1、第二传感器组2和悬浮控制器3，悬浮控制器3包括悬浮控制板31、第一悬浮斩波器32和第二悬浮斩波器33，第一传感器组1设于悬浮模块5的一端，第二传感器组2设于悬浮模块5的另一端，第一传感器组1和第二传感器组2均包括加速度传感器、间隙传感器以及电流传感器，加速度传感器、间隙传感器、电流传感器的输出端分别与悬浮控制板31相连，悬浮控制板31的输出端分别通过第一悬浮斩波器32与悬浮模块5一端的第一单电磁铁51相连、通过第二悬浮斩波器33与悬浮模块5另一端的第二单电磁铁52相连。本实施例中，第一传感器组1的间隙传感器测量悬浮模块5的A端的悬浮间隙并输出数字信号，第一传感器组1的加速度传感器测量第一单电磁铁51的竖直方向运动加速度并输出数字信号，第一传感器组1的电流传感器测量第一单电磁铁51的悬浮电流并输出电流模拟信号；第二传感器组2的间隙传感器分别测量悬浮模块5的B端的悬浮间隙并输出数字信号，第二传感器组2的加速度传感器测量第二单电磁铁52的竖直方向运动加速度并输出数字信号，第二传感器组2的电流传感器测量第二单电磁铁52的悬浮电流并输出电流模拟信号，上述传感器信号连同温度、快熔检测等信号分别输入悬浮控制器3的悬浮控制板31，而且本实施例通过一个悬浮控制板31来控制两个单电磁铁(第一单电磁铁51、第二单电磁铁52)，能够克服现有技术单点悬浮控制方法无法真正克服悬浮模块5内两悬浮点相互影响的缺陷，减少单转向架中的控制器数量、减轻悬浮控制器3的质量、降低控制器制造成本、提高悬浮控制器3的可靠性。

如图6所示，悬浮控制板31包括信号调理模块311、数采模块312和CPU模块313，数采模块312包括A/D转换单元3121和FPGA处理芯片3122，CPU模块313包括PowerPC处理器3131和FPGA时序芯片3132，电流传感器的输出端通过A/D转换单元3121与FPGA处理芯片3122相连，加速度传感器、间隙传感器的输出端直接与FPGA处理芯片3122相连，FPGA时序芯片3132与FPGA处理芯片3122相连，FPGA处理芯片3122分别与第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33相连，FPGA处理芯片3122将加速度传感器、间隙传感器以及电流传感器的输出信号转发给PowerPC处理器3131，并将PowerPC处理器3131发送的两个悬浮控制量分别以PWM波的形式输出到第一悬浮斩波器32和第二悬浮斩波器33，通过第一悬浮斩波器32控制悬浮模块5一端的第一单电磁铁51的电流大小、第二悬浮斩波器33控制悬浮模块5另一端的第二单电磁铁52的电流大小来确保悬浮模块5与轨道57之间的悬浮间隙保持恒定。信号调理模块311用于接收第一传感器组1、第二传感器组2的传感器信号，对间隙传感器和加速度传感器信号隔离变压后经过485信号解码器解码输出二进制间隙信号Sd和二进制加速度信号Sa，同时将第一传感器组1、第二传感器组2的电流传感器输出的电流信号分别通过采样电阻转换成电压型信号，并对其做滤波跟随处理并分别输出电压型模拟信号SI，Sd、Sa和SI最后被同时送到数采模块312。本实施例中信号调理模块311由模拟电路组成，信号调理模块311具体包括一个充电接触器开关电路、六个电流-电压转换电路、六个滤波器、两个反相器、六个电压跟随电路以及五个隔离变压器。A/D转换单元3121采用同步采样的并行模数转换器，它根据FPGA处理芯片3122发出的转换指令将由信号调理模块311传来的电流传感器的电压模拟信号SI转换成数字信号I，在FPGA处理芯片3122发出读指令后，将数字信号I发送到FPGA处理芯片3122。同时，FPGA处理芯片3122接收传来的二进制间隙信号Sd、二进制加速度信号Sa，并将其解码形成间隙数字信号D和加速度数字信号A。FPGA处理芯片3122在接收到PowerPC处理器3131发出的读指令后，将数字信号D(间隙)、A(加速度)、I(电流)送到PowerPC处理器3131。此外FPGA处理芯片3122在接收到PowerPC处理器3131输出的控制信号CV₁，CV₂后，将其转换成第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33可以接受的定周期PWM波信号后分别发送至第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33。PowerPC处理器3131运行在Vxworks操作系统环境下，配有64MB内存，16MBFLASH和以太网接口。PowerPC处理器3131的FLASH中存放悬浮控制程序；以太网实现PowerPC处理器3131与车载监控系统或调试计算机通信，通过以太网可以修改PowerPC处理器3131中的悬浮控制程序；PowerPC处理器3131同时具有CAN通信的功能，能将由FPGA处理芯片3122的传感器信号和检测传感器的故障信号通过CAN总线实时上传给车载监控系统。FPGA时序芯片3132则主要协调PowerPC处理器3131与FPGA处理芯片3122的数据通信。PowerPC处理器3131运行FLASH中的控制程序，完成悬浮控制程序中设计的所有算术/逻辑运算，最终得到悬浮模块A端和悬浮模块B端的控制量CV₁，CV₂，并将其发送到FPGA处理芯片3122。FPGA时序芯片322则协调微处理器321、FPGA处理芯片312等的时钟将时序保持统一。本实施例采用PowerPC处理器工作在Vxworks操作系统下，使控制系统具有较高的实时性和稳定性，而且本实施例通过一个悬浮控制板31实现了现有技术由两个悬浮控制器才能完成的工程，降低了控制系统的重量，提高了磁悬浮列车的有效载荷，控制器数量较原来较少了一半，使得控制系统成本下降，同时降低了控制器出现故障的风险。

如图7所示，第一悬浮斩波器32包括相互连接的第一IGBT驱动板321和第一IGBT半桥斩波电路322，第二悬浮斩波器33包括相互连接的第二IGBT驱动板331和第二IGBT半桥斩波电路332，第一IGBT驱动板321的控制端、第二IGBT驱动板331的控制端分别与FPGA处理芯片3122相连，第一IGBT半桥斩波电路322的输出端与第一单电磁铁51相连，第二IGBT半桥斩波电路332的输出端与第二单电磁铁52相连。第一IGBT半桥斩波电路322、第二IGBT半桥斩波电路332之间形成并联结构，悬浮模块5的一端(A端)的两个电磁铁串联形成的第一单电磁铁51接入第一IGBT半桥斩波电路322，悬浮模块5的另一端(B端)的两个电磁铁串联形成的第二单电磁铁52接入第二IGBT半桥斩波电路332，份额不通过PWM控制信号控制第一IGBT驱动板321和第二IGBT驱动板331的通断改变斩波电路中电流大小来实现悬浮控制。本实施例中，第一IGBT驱动板321和第一IGBT半桥斩波电路322构成的第一悬浮点的半H桥式斩波电路；第二IGBT驱动板331和第二IGBT半桥斩波电路332构成第二悬浮点的半H桥式斩波电路，本实施例通过这两部分斩波电路，能够实现每一个悬浮模块双悬浮点的电压驱动。

如图7和图8所示，第一IGBT半桥斩波电路322、第二IGBT半桥斩波电路332均并联有两个稳压电容。本实施例中，第一IGBT半桥斩波电路322并联有两个稳压电容(C1、C2)，第二IGBT半桥斩波电路332并联有两个稳压电容(C3、C4)。稳压电容与第一IGBT半桥斩波电路322、第二IGBT半桥斩波电路332并联一方面具有稳压作用，另一方面保证在突然断电情况下EMS型低速悬浮列车能够安全落车。

如图8所示，本实施例用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置从结构上可分为由挡板30隔开放置的小控制器部分(左部)和功率电路部分(右部)，从而能够防止强电部分对弱电的干扰。小控制器部分包括底板301、悬浮控制板31及其供电电源，小控制器部分的底板301共有四排插槽302，插槽302用于插设悬浮控制板31的信号调理模块311、数采模块312、CPU模块313以及冗余CPU模块，其中冗余CPU模块与CPU模块313冗余，用于在CPU模块313死机等故障情况下依然保证悬浮控制系统正常工作，且四排插槽302分别带有不同颜色的防插错接口，对应控制板各个模块，防止混插和插反。各个模块之间通过插槽302插入底板301实现与悬浮控制器3相连，为防止脱落，各个模块两端通过螺丝连接底板301。在小控制器部分的左侧有两个第一航天接头303，分别是传感器接口和网络通信接口，用于缩短第一传感器组1、第二传感器组2到悬浮控制器3之间的接线距离，降低传感器信号干扰，提高传感器信号的可靠度，小控制器部分的电源则安装在底板301的下方。功率电路部分则主要包括第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33、电源镇流器304、电压检测板305以及电源滤波电路等。第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33共包括四个大稳压电容C1～C4，稳压电容C1～C4上方是第一悬浮斩波器32和第二悬浮斩波器33的本体，且其中的第一IGBT半桥斩波电路322、第二IGBT半桥斩波电路333均基于25D315AI芯片实现。悬浮控制器功率电路部分的右侧有两个第二航天插头306，分别是电源输入接口和控制输出(输出到电磁铁)接口，将强电接口和弱电接口设计在控制器的两端，有效降低强弱电之间的干扰。本实施例中，悬浮控制器3还通过CAN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板31连接，用于向悬浮控制板31发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。本实施例中，为了保护悬浮控制板31以及降低电路干扰，将悬浮控制板31和第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33部分隔离安装，并用不同的电源供电。第一传感器组1、第二传感器组2与悬浮控制器3之间采用光电隔离，第一IGBT半桥斩波电路322、第二IGBT半桥斩波电路333的25D315AI芯片将悬浮控制板31的控制信号与第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33的强电部分隔离。同时悬浮控制板31在第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33的强电进线处串联两个快速熔断器307防止电流过大烧坏控制器。

本实施例用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置的工作流程如下：

步骤1、控制系统上电后，CPU模块313中操作系统启动，完成开机；FPGA处理芯片3122根据FPGA存储器中的FPGA程序完成FPGA门阵列初始化；外接330V电源给第一悬浮斩波器32、第二悬浮斩波器33稳压电容充电。第一传感器组1、第二传感器组2的电流传感器、间隙传感器、加速度传感器开始工作，将车辆的悬浮状态(悬浮电流、悬浮间隙、加速度)通过信号调理模块311处理，A/D转换单元3121进行A/D转换后经FPGA处理芯片3122送给CPU模块313供悬浮控制使用。

步骤2、查看车载监控系统悬浮/降落指令(L/D)，如果没有指令，返回步骤1。

步骤3、收到车载监控系统悬浮/降落指令(L/D)，CPU模块313根据存储在CPU模块313的FLASH中的悬浮控制程序计算出悬浮控制量CV₁、CV₂。悬浮控制量CV₁、CV₂被送至FPGA处理芯片3122转换成PWM波信号后(PWM1、PWM2)经第一IGBT驱动板321驱动第一IGBT半桥斩波电路322、经第二IGBT驱动板331驱动第二IGBT半桥斩波电路332，从而分别为第一单电磁铁51和第二单电磁铁52提供悬浮电流，确保轨道57与第一单电磁铁51和第二单电磁铁52之间的悬浮间隙保持稳定。最后返回步骤2。

如图9所示，本实施例与现有技术单电磁铁悬浮控制方法的悬浮性能对比实验曲线中，图中的曲线1表示本实施例的间隙响应曲线，曲线2表示现有技术采用单电磁铁控制方法的间隙响应曲线。其中，(a)是在稳定悬浮状态下，悬浮模块5上第一悬浮点所在的一端(A端)的悬浮质量突然增加10％时，悬浮模块5上第二悬浮点所在的一端(B端)的间隙响应曲线；(b)是在稳定悬浮状态下，在悬浮模块5上第一悬浮点所在的一端(A端)加入2mm的方波干扰时，悬浮模块5上第二悬浮点所在的一端(B端)的间隙的响应曲线。从图(a)可以看出，悬浮模块5上第一悬浮点所在的一端(A端)的悬浮质量变化相同的情况下，采用本实施例后悬浮模块5上第二悬浮点所在的一端(B端)的间隙变化要远小于现有技术采用单电磁铁控制方法悬浮模块5上第二悬浮点所在的一端(B端)的间隙变化；从图(b)可以看出，在悬浮模块5上第一悬浮点所在的一端(A端)的间隙变化相同的情况下，采用本实施例后悬浮模块5上第二悬浮点所在的一端(B端)的间隙变化要小于现有技术采用单电磁铁控制方法悬浮模块5上第二悬浮点所在的一端(B端)的间隙变化，并且收敛的速度更快，悬浮更平稳。上述实验结果可以证明：本实施例能够有效地抑制悬浮模块5上第一悬浮点所在的一端(A端)的悬浮状态和第二悬浮点所在的一端(B端)的悬浮状态之间的相互影响，使得两端的运动状态彼此互相独立，克服了现有技术的单电磁铁控制方法存在的固有缺陷，在抑制悬浮质量变化干扰和间隙变化干扰方面都要明显优于现有技术的单电磁铁悬浮控制方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制方法，其特征在于实施步骤如下：

1)采集各个悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流；

2)分别将同一悬浮模块第一悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流以及第二悬浮点的悬浮间隙、加速度和悬浮电流根据式(1)分别计算得到每一个悬浮模块的第一悬浮点的悬浮控制量和第二悬浮点的悬浮控制量；

式(1)中，f₁(z₁,a₁,i₁,z₂,a₂)为第一悬浮点的悬浮控制量，f₂(z₁,a₁,i₂,z₂,a₂)为第二悬浮点的悬浮控制量；z₁为第一悬浮点的悬浮间隙，z₁₀为第一悬浮点的设定悬浮间隙，a₁为第一悬浮点的加速度，i₁为第一悬浮点的悬浮电流，k_p1为第一悬浮点的系统刚度，k_i1为第一悬浮点的积分增益，k_d1为第一悬浮点的系统阻尼；z₂为第二悬浮点的间隙信号，z₂₀为第二悬浮点的设定悬浮间隙，a₂为第二悬浮点的加速度，i₂为第二悬浮点的悬浮电流，k_p2为第二悬浮点的系统刚度，k_i2为第二悬浮点的积分增益，k_d2为第二悬浮点的系统阻尼；

3)将每一个悬浮模块第一悬浮点的悬浮控制量以PWM波的形式输出到该悬浮模块第一悬浮点的悬浮斩波器，通过第一悬浮点的悬浮斩波器控制第一悬浮点的第一单电磁铁电流大小来控制第一悬浮点的悬浮间隙保持恒定；同时，将每一个悬浮模块第二悬浮点的悬浮控制量以PWM波的形式输出到该悬浮模块第二悬浮点的悬浮斩波器，通过第二悬浮点的悬浮斩波器控制第二悬浮点的第二单电磁铁电流大小来控制第二悬浮点的悬浮间隙保持恒定。

2.一种用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置，其特征在于：包括第一传感器组(1)、第二传感器组(2)和悬浮控制器(3)，所述悬浮控制器(3)包括悬浮控制板(31)、第一悬浮斩波器(32)和第二悬浮斩波器(33)，所述第一传感器组(1)设于悬浮模块(5)的一端，所述第二传感器组(2)设于悬浮模块(5)的另一端，所述第一传感器组(1)和第二传感器组(2)均包括加速度传感器、间隙传感器以及电流传感器，所述加速度传感器、间隙传感器、电流传感器的输出端分别与悬浮控制板(31)相连，所述悬浮控制板(31)的输出端分别通过第一悬浮斩波器(32)与悬浮模块(5)一端的第一单电磁铁(51)相连、通过第二悬浮斩波器(33)与悬浮模块(5)另一端的第二单电磁铁(52)相连；所述悬浮控制板(31)包括信号调理模块(311)、数采模块(312)和CPU模块(313)，所述数采模块(312)包括A/D转换单元(3121)和FPGA处理芯片(3122)，所述CPU模块(313)包括PowerPC处理器(3131)和FPGA时序芯片(3132)，所述电流传感器的输出端通过A/D转换单元(3121)与FPGA处理芯片(3122)相连，所述加速度传感器、间隙传感器的输出端直接与FPGA处理芯片(3122)相连，所述FPGA时序芯片(3132)与FPGA处理芯片(3122)相连，所述FPGA处理芯片(3122)分别与第一悬浮斩波器(32)、第二悬浮斩波器(33)相连，所述FPGA处理芯片(3122)将加速度传感器、间隙传感器以及电流传感器的输出信号转发给PowerPC处理器(3131)，并将PowerPC处理器(3131)发送的两个悬浮控制量分别以PWM波的形式输出到第一悬浮斩波器(32)和第二悬浮斩波器(33)，通过所述第一悬浮斩波器(32)控制悬浮模块(5)一端的第一单电磁铁(51)的电流大小、第二悬浮斩波器(33)控制悬浮模块(5)另一端的第二单电磁铁(52)的电流大小来确保悬浮模块(5)与轨道(57)之间的悬浮间隙保持恒定。

3.根据权利要求2所述的用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置，其特征在于：所述第一悬浮斩波器(32)包括相互连接的第一IGBT驱动板(321)和第一IGBT半桥斩波电路(322)，所述第二悬浮斩波器(33)包括相互连接的第二IGBT驱动板(331)和第二IGBT半桥斩波电路(332)，所述第一IGBT驱动板(321)的控制端、第二IGBT驱动板(331)的控制端分别与FPGA处理芯片(3122)相连，所述第一IGBT半桥斩波电路(322)的输出端与第一单电磁铁(51)相连，所述第二IGBT半桥斩波电路(332)的输出端与第二单电磁铁(52)相连。

4.根据权利要求3所述的用于EMS型低速悬浮列车的悬浮控制装置，其特征在于：所述第一IGBT半桥斩波电路(322)、第二IGBT半桥斩波电路(332)均并联有两个稳压电容。