CN105599634A - 一种磁浮列车悬浮控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁浮列车悬浮控制装置，用于控制磁浮列车电磁铁，包括两个结构相同、电气独立的控制单元，控制单元包括控制电路(C1、C2)、用于连接同一电磁铁的选通功率开关(K1、K2)、功率变换电路(P1、P2)和辅助电源(DC1、DC2)，功率变换电路(P1、P2)输出端与选通功率开关(K1、K2)连接，功率变换电路(P1、P2)的输出功率受所在控制单元的控制电路(C1、C2)控制，选通功率开关(K1、K2)的通断同时受两个控制单元的控制电路(C1、C2)控制。与现有技术相比，本发明提出“二合一”型悬浮控制器，提高磁浮列车可用性，简化电路结构，达到良好的综合效果。

Description

一种磁浮列车悬浮控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种磁浮控制装置，尤其是涉及一种磁浮列车悬浮控制装置及方法。

背景技术

EMS(ElectroMagneticSuspension)型磁浮列车是一种新型的轨道交通运输工具，具有运行噪声低、爬坡能力强、转弯半径小、安全可靠性高、运营维护成本低、造价低等突出特点。它利用电磁吸力使车体悬浮于轨道之上，列车与轨道之间保持无接触状态，克服了两者间的接触磨损，减小了运行阻力。悬浮控制器是实现车辆悬浮的执行机构，它根据悬浮电磁铁与轨道之间的气隙以及电磁铁的垂向运动加速度来改变悬浮电磁铁内部电流的大小,从而调节悬浮电磁铁与钢制轨道之间的吸引力,使磁浮列车保持在8～10mm气隙大小的稳定悬浮状态。经过几十年的技术开发，磁浮列车技术已基本成熟，正在逐步走向商业化生产和运营。

如图1所示，目前，中低速磁浮列车车辆走行部采用四悬浮架或五悬浮架结构。每个悬浮架上左右两侧各有1个电磁铁1。每个电磁铁1由4个线圈组成，两端两个线圈串联(线圈A和B串联，线圈C和D串联)在一起由1个悬浮控制器控制，称为一个悬浮点。每个悬浮架的电磁铁1由4个悬浮控制器立控制。

由于中低速磁浮列车车辆悬浮架结构所限，每个悬浮点对应1个空气弹簧，空气弹簧传递悬浮架和车体之间的作用力。从图1可以看出，当4个悬浮控制器中的任何一个出现故障时，对应的悬浮点将不能实现稳定悬浮，滑橇降落在轨道上，磁浮列车只能减速退出运行。假如五悬浮架结构三节编组的一列磁浮车，每节车有20个悬浮控制器，一列车共有60个悬浮控制器。只要60个悬浮控制器之中的1个出现故障，此列车就要退出运行，并且只能以故障状态慢速回库维修。这样的状况使得磁浮列车的可用性很差，不能达到商用运营的要求，成为制约磁浮列车进一步发展和应用的瓶颈。解决这个问题的基本途径有两个：一个是从结构上对中低速磁浮列车进行全面改造，使系统能够适应任何一个悬浮控制器故障都能够维持正常运行，如德国TR08系列高速磁浮列车“二托一”式的悬浮架结构。显然这样大规模改造的代价是高昂的，并且改造后会出现车辆结构不再适应原有的线路条件等问题。

发明内容

本发明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适用于中低速的磁浮列车悬浮控制装置及方法，它能有效地实现悬浮控制系统的冗余设计，使得磁浮列车能够在悬浮控制器部分故障的情况下仍能够正常运行。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁浮列车悬浮控制装置，用于控制磁浮列车电磁铁，其特征在于，包括两个结构相同、电气独立的控制单元，所述的控制单元包括控制电路、用于连接同一电磁铁的选通功率开关、用于产生所述电磁铁电流的功率变换电路、用于为控制电路和功率变换电路供电的辅助电源，所述的功率变换电路输出端与选通功率开关连接，功率变换电路的输出功率受所在控制单元的控制电路控制，所述的选通功率开关的通断同时受两个控制单元的控制电路控制，两个控制单元的控制电路相互连接，形成冗余控制结构。

两个所述的控制电路分别根据电磁铁上的悬浮传感器信号通过控制算法计算电磁铁电流期望值，分别控制所在控制单元的功率变换电路在电磁铁上产生相应大小的电流。

两个所述的功率变换电路为H型功率变换电路，分别具有独立的充电电路和放电电路。

所述的功率变换电路采用全控型功率器件以及续流二极管组成。

所述的选通功率开关为全控型电子功率开关。

两个所述的控制电路和两个所述的功率变换电路集成在一个控制箱中，一个所述的控制单元作为另外一个控制单元的热备份，或者两个所述的控制单元采用互为备份的方式实现冗余。

一种使用所述的磁浮列车悬浮控制装置进行悬浮控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，进入定时中断，控制电路分别采集由电磁铁上的悬浮传感器传送的信号数据；

S2，控制电路把自身以及所在控制单元中功率变换电路和辅助电源的诊断信息互相传送给另一个控制电路，若两个控制单元均工作正常，则两个控制电路根据信号数据计算电磁铁电流期望值，分别输出PWM信号到对应功率变换电路的驱动板，并分别控制功率开关任意一个闭合、另一个断开，使电磁铁电流产生电磁吸引力，车辆保持稳定悬浮状态；若两个控制单元中一个工作正常，另一个异常，则正常工作的控制单元的控制电路输出PWM信号到对应功率变换电路的驱动板，并控制对应功率开关闭合、另一个功率开关断开；若两个控制单元均异常，则两个控制电路控制两个功率开关均断开，电磁铁无电流；

S3，退出中断并等待下一个定时中断，返回S1。

所述的信号数据包括间隙信号和加速度信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过对两个悬浮控制器进行集成和优化设计，提出了“二合一”型悬浮控制器，使磁浮列车每个悬浮点都具备“热备”冗余，解决目前中低速磁浮列车悬浮系统中存在的可靠性问题，提高磁浮列车的可用性。

(2)把两个控制电路集成在一个机箱中，实现了电路之间既独立运行又互为备份，同时简化了电路结构，达到了良好的综合效果。

(3)采用IGBT或MOSFET等全控型功率器件作为输出电路选通开关，既可以快速切除故障电路，又解决了触点式接触器体积大、功耗高的问题。

附图说明

图1为现有技术的磁浮列车的结构示意图；

图2为本实施例中“二合一”型悬浮控制器电路结构示意图；

图3为本实施例中悬浮控制原理示意图；

图4为本实施例方法的基本流程示意图；

附图标记：

1-电磁铁；2-轨道；3-车体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图2、图3所示，一种磁浮列车悬浮控制装置，用于控制磁浮列车电磁铁，包括两个结构相同、电气独立的控制单元，控制单元包括控制电路C1、C2、用于连接同一电磁铁的选通功率开关K1、K2、用于产生所述电磁铁电流的功率变换电路P1、P2、用于为控制电路C1、C2和功率变换电路P1、P2供电的辅助电源DC1、DC2，辅助电源DC1、DC2为相互独立的660V直流电源，分别为对应控制电路C1、C2和功率变换电路P1、P2供电。功率变换电路P1、P2输出端与选通功率开关K1、K2连接，功率变换电路P1、P2的输出功率受所在控制单元的控制电路C1、C2控制，选通功率开关K1、K2为全控型电子功率开关，例如IGBT或MOSFE，选通功率开关K1、K2的通断同时受两个控制单元的控制电路C1、C2控制，两个控制单元的控制电路C1、C2相互连接，可发送诊断信号，形成冗余控制结构。采用冗余控制，实现磁浮列车悬浮系统冗余问题，在悬浮控制器部分故障的情况下，磁浮列车仍可以正常悬浮。

两个控制电路C1、C2(即悬浮控制电路)分别根据电磁铁上的悬浮传感器信号通过控制算法计算电磁铁电流期望值，分别控制所在控制单元的功率变换电路P1、P2在电磁铁上产生相应大小的电流。

两个功率变换电路P1、P2采用IGBT或MOSFET等全控型功率器件以及续流二极管组成，为H型功率变换电路，并分别具有独立的充电电路和放电电路。

两个控制电路C1、C2和两个功率变换电路P1、P2集成在一个控制箱中，一个控制单元作为另外一个控制单元的热备份，或者两个控制单元采用互为备份的方式实现冗余。也可称为“二合一”型悬浮控制器。控制电路C1、C2主控芯片采用DSP和FPGA，选通功率开关K1、K2可以根据输出电流的大小选择相应的型号；控制电路C1、功率变换电路P1、辅助电源DC1其中一个出现故障本电路退出运行，由控制电路C2、功率变换电路P2、辅助电源DC2接管，同时，控制电路C2能够根据需要选择功率开关K1、K2断开或闭合，使电磁铁断开或连接不同的功率电路。

图3中N是逻辑选取单元，N与C1、C2分别连接，根据控制要求和故障状况选取C1或C2控制K1。

H型功率变换电路P1、P2分别由充电电路、输入侧支撑电容、放电回路、IGBT或MOSFET全控型功率器件以及续流二极管等组成；控制电路C1、C2的主控芯片采用DSP和FPGA，主要功能为接收电磁铁上的悬浮传感器信号，根据一定的控制算法计算电磁铁的电流期望值，并产生PWM信号，输出到H型功率变换电路的驱动板卡上。2个选通功率开关K1、K2中，选通功率开关K1可由控制电路C1和C2联合控制断开或闭合，当控制电路C1、功率变换电路P1及辅助电源DC1都正常时由选通功率开关K1由控制电路C1控制，当控制电路C1、功率变换电路P1及辅助电源DC1的任何一个出现故障时，选通功率开关K1由控制电路C2控制，选通功率开关K2由控制电路C2控制断开或闭合。本发明中的悬浮控制器具体工作时的实施案例如下所述：

本发明中的“二合一”型悬浮控制器所有部件都正常时，控制电路C1控制选通功率开关K1闭合，并根据电磁铁上的悬浮传感器信号通过控制算法计算出电磁铁电流期望值，控制功率变换电路P1在电磁铁上产生相应大小的电流。电磁铁产生电磁吸引力，使电磁铁与轨道之间的距离保持在8mm左右，车辆保持稳定悬浮状态。同时，控制电路C2也根据电磁铁上的悬浮传感器信号通过一定的悬浮控制算法分别计算出电磁铁电流期望值，但K2保持断开状态，不产生电流。

假设控制电路C1、功率变换电路P1及辅助电源DC1的任何一个出现故障，控制电路C2根据故障诊断信号得到信息后，迅速断开选通功率开关K1，同时闭合选通功率开关K2。由控制电路C2、功率变换电路P2、辅助电源DC2及选通功率开关K2组成的电路接管此端电磁铁继续工作，使磁浮列车继续保持稳定悬浮状态。系统实现“热备”冗余控制。

需要说明的是，当控制电路C1、功率变换电路P1、辅助电源DC1中的任何一个以及控制电路C2、功率变换电路P2、辅助电源DC2中的任何一个同时或先后出现故障，控制器只能实现一个悬浮点悬浮，磁浮列车仍需要减速退出运行。还要指出的是，当功率开关K1、K2的驱动板出现故障，功率开关将保持断开状态。

如图4所示，一种使用磁浮列车悬浮控制装置进行悬浮控制的方法，包括以下步骤：

S1，进入定时中断，控制电路C1、C2分别采集由电磁铁上的悬浮传感器传送的信号数据，包括间隙信号和加速度信号等；

S2，控制电路C1把自身以及所在控制单元中功率变换电路P1和辅助电源DC1的诊断信息互相传送给另一个控制电路C2，若两个控制单元均工作正常，则两个控制电路C1、C2根据信号数据计算电磁铁电流期望值，分别输出PWM信号到对应功率变换电路P1、P2的驱动板，并分别控制功率开关K1、K2任意一个闭合、另一个断开，使电磁铁电流产生电磁吸引力，使电磁铁与轨道之间的距离保持在8mm左右，车辆保持稳定悬浮状态；若两个控制单元中一个工作正常(例如C1)，另一个异常，则正常工作的控制单元的控制电路C1输出PWM信号到对应功率变换电路P1、P2的驱动板，并控制对应功率开关K1闭合、另一个功率开关K2断开，车辆仍能保持稳定悬浮状态；若两个控制单元均异常，则两个控制电路C1、C2控制两个功率开关K1、K2均断开，电磁铁无电流，对应悬浮点落下，滑橇降落在轨道上，列车需退出运行；

S3，退出中断并等待下一个定时中断，返回S1。

尽管本发明的内容已经通过上述实施案例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种磁浮列车悬浮控制装置，用于控制磁浮列车电磁铁两端的线圈，其特征在于，包括两个结构相同、电气独立的控制单元，所述的控制单元包括控制电路(C1、C2)、用于连接同一电磁铁的选通功率开关(K1、K2)、用于产生所述电磁铁电流的功率变换电路(P1、P2)、用于为控制电路(C1、C2)和功率变换电路(P1、P2)供电的辅助电源(DC1、DC2)，所述的功率变换电路(P1、P2)输出端与选通功率开关(K1、K2)连接，功率变换电路(P1、P2)的输出功率受所在控制单元的控制电路(C1、C2)控制，所述的选通功率开关(K1、K2)的通断同时受两个控制单元的控制电路(C1、C2)控制，两个控制单元的控制电路(C1、C2)相互连接，形成冗余控制结构。

2.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制装置，其特征在于，两个所述的控制电路(C1、C2)分别根据电磁铁上的悬浮传感器信号通过控制算法计算电磁铁电流期望值，分别控制所在控制单元的功率变换电路(P1、P2)在电磁铁上产生相应大小的电流。

3.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制装置，其特征在于，两个所述的功率变换电路(P1、P2)为H型功率变换电路，分别具有独立的充电电路和放电电路。

4.根据权利要求3所述的一种磁浮列车悬浮控制装置，其特征在于，所述的功率变换电路(P1、P2)采用全控型功率器件以及续流二极管组成。

5.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制装置，其特征在于，所述的选通功率开关(K1、K2)为全控型电子功率开关。

6.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制装置，其特征在于，两个所述的控制电路(C1、C2)和两个所述的功率变换电路(P1、P2)集成在一个控制箱中，一个所述的控制单元作为另外一个控制单元的热备份，或者两个所述的控制单元采用互为备份的方式实现冗余。

7.一种使用如权利要求1～6任一所述的磁浮列车悬浮控制装置进行悬浮控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，进入定时中断，控制电路(C1、C2)分别采集由电磁铁上的悬浮传感器传送的信号数据；

S2，控制电路(C1、C2)把自身以及所在控制单元中功率变换电路(P1)和辅助电源(DC1)的诊断信息互相传送给另一个控制电路(C1、C2)，若两个控制单元均工作正常，则两个控制电路(C1、C2)根据信号数据计算电磁铁电流期望值，分别输出PWM信号到对应功率变换电路(P1、P2)的驱动板，并分别控制功率开关(K1、K2)任意一个闭合、另一个断开，使电磁铁电流产生电磁吸引力，车辆保持稳定悬浮状态；若两个控制单元中一个工作正常，另一个异常，则正常工作的控制单元的控制电路(C1、C2)输出PWM信号到对应功率变换电路(P1、P2)的驱动板，并控制对应功率开关(K1、K2)闭合、另一个功率开关(K1、K2)断开；若两个控制单元均异常，则两个控制电路(C1、C2)控制两个功率开关(K1、K2)均断开，电磁铁无电流；

S3，退出中断并等待下一个定时中断，返回S1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的信号数据包括间隙信号和加速度信号。