CN105667338A - 一种磁浮列车悬浮控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁浮列车悬浮控制器，用于控制磁浮列车电磁铁，包括三个控制单元，其中第一主控制单元与第二主控制单元结构相同，均包括主控制电路(C1、C2)、主选通功率开关(K1、K2)、主功率变换电路(P1、P2)以及主辅助电源(DC1、DC2)，冗余控制单元包括冗余控制电路(C3)、两个冗余选通功率开关(K3、K4)、冗余功率变换电路(P3)以及冗余辅助电源(DC3)，冗余控制电路(C3)分别与两个主控制电路(C1、C2)通信，形成冗余控制。与现有技术相比，本发明通过冗余结构设计，令冗余控制电路分别与两个主控制电路通信，解决了中低速磁浮列车悬浮控制系统冗余问题，在悬浮控制器部分故障时，磁浮列车可以正常工作，提高了磁浮列车的可用度。

Description

一种磁浮列车悬浮控制器

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器，属于采用电磁悬浮或永磁电磁混合悬浮的悬浮控制器技术。

背景技术

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个悬浮控制器独立控制。

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；另一个途径是对悬浮控制器进行冗余设计，使得一个悬浮控制器故障后，另一个悬浮控制器接替故障控制器继续工作，比如每个悬浮点配置两个悬浮控制器。然而此种冗余式设计也有明显的缺点，如悬浮控制器数量增加一倍、成本增加、可靠性低、维护困难等问题以及两者之间通讯、故障判断和工作接管等技术性问题。

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功能优化、占用体积小的磁浮列车悬浮控制器。

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器，用于控制磁浮列车电磁铁，其特征在于，包括三个控制单元，分别为第一主控制单元、第二主控制单元和冗余控制单元，其中第一主控制单元与第二主控制单元结构相同，均包括主控制电路、主选通功率开关、为所述主选通功率开关提供功率的主功率变换电路以及为所述主控制电路和主功率变换电路供电的主辅助电源，两个所述的主选通功率开关与电磁铁两端的串联线圈组一一对应连接，

所述的冗余控制单元包括冗余控制电路、两个冗余选通功率开关、功率输出端分别与两个冗余选通功率开关连接的冗余功率变换电路以及为所述冗余控制电路和冗余功率变换电路供电的冗余辅助电源，所述的两个冗余选通功率开关与电磁铁两端的串联线圈组一一对应连接，

第一主控制单元的主选通功率开关的通断同时受第一主控制单元的主控制电路与冗余控制电路控制，第二主控制单元的主选通功率开关的通断同时受第二主控制单元的主控制电路与冗余控制电路控制，两个冗余选通功率开关的通断均受冗余控制电路控制，冗余控制电路分别与两个主控制电路通信，形成冗余控制。

两个所述的主控制电路分别与对应串联线圈组的悬浮传感器连接，所述的冗余控制电路同时与电磁铁两端的串联线圈组的悬浮传感器连接，用以计算串联线圈组所需电流，并控制主功率变换电路或冗余功率变换电路在对应串联线圈组上产生相应大小的电流。

所述的主功率变换电路和冗余功率变换电路均为H型功率变换电路，且均包含全控型功率器件和续流二极管。

所述的全控型功率器件为IGBT或MOSFET。

所述的主选通功率开关和冗余选通功率开关均为全控型电子功率开关。

所述的全控型电子功率开关为IGBT或MOSFET。

所述的主控制电路、冗余控制电路、主功率变换电路和冗余功率变换电路集成在一个箱体中，所述的冗余控制电路和冗余功率变换电路为主控制电路和主功率变换电路的热备份。

本发明通过对一个电磁铁所对应的两个悬浮控制器进行合并集成和优化设计，并加入一个控制器作为“热备”冗余，使目前中低速磁浮列车悬浮控制系统中存在的可靠性和可用性问题得到解决。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过冗余结构设计，令冗余控制电路分别与两个主控制电路通信，较为完美地解决了中低速磁浮列车悬浮控制系统冗余问题，在悬浮控制器部分故障的情况下，磁浮列车可以正常工作，大大提高了磁浮列车的可用度。

(2)把三个悬浮控制器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。与采用一个悬浮点配置两个悬浮控制器的方法相比，总体上既实现了系统冗余又降低了总体积、重量以及产品造价，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功率变换电路的选通开关及选通功率开关，既可以方便地选择电磁铁接入电路，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为本实施例中应用的“三合一”型悬浮控制器结构示意图；

图3为本实施例中应用的“三合一”型悬浮控制器控制原理示意图；

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器，也可称为“三合一”型悬浮控制器，用于控制磁浮列车电磁铁，包括三个控制单元，分别为第一主控制单元、第二主控制单元和冗余控制单元，其中第一主控制单元与第二主控制单元结构相同，第一主控制单元包括主控制电路C1、主选通功率开关K1、为主选通功率开关K1提供功率的主功率变换电路P1以及为主控制电路C1和主功率变换电路P1供电的主辅助电源DC1；第二主控制单元包括主控制电路C2、主选通功率开关K2、为主选通功率开关K2提供功率的主功率变换电路P2以及为主控制电路C2和主功率变换电路P2供电的主辅助电源DC2；两个主选通功率开关K1、K2与电磁铁两端的串联线圈组一一对应连接。

冗余控制单元包括冗余控制电路C3、两个冗余选通功率开关K3、K4、功率输出端分别与两个冗余选通功率开关K3、K4连接的冗余功率变换电路P3以及为冗余控制电路C3和冗余功率变换电路P3供电的冗余辅助电源DC3，两个冗余选通功率开关K3、K4与电磁铁两端的串联线圈组一一对应连接。

两个主辅助电源DC1、DC2和冗余辅助电源DC3相互独立。

主选通功率开关K1、K2和冗余选通功率开关K3、K4均为全控型电子功率开关，例如IGBT或MOSFET。

主功率变换电路P1、P2和冗余功率变换电路P3均为H型功率变换电路，均由充电电路、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。

两个主控制电路C1、C2分别与对应串联线圈组的悬浮传感器连接，冗余控制电路C3同时与电磁铁两端的串联线圈组的悬浮传感器连接，用以计算串联线圈组所需电流，并控制主功率变换电路P1、P2或冗余功率变换电路P3在对应串联线圈组上产生相应大小的电流。主控制电路C1、C2和冗余控制电路C3主控芯片采用DSP和FPGA，主要功能为接收电磁铁两端的两个悬浮传感器信号，根据一定的控制算法计算电磁铁的期望电流值，并产生PWM信号，输出到H型功率变换电路的驱动板卡上。

第一主控制单元的主选通功率开关K1的通断同时受第一主控制单元的主控制电路C1与冗余控制电路C3控制，当主控制电路C1、主功率变换电路P1及主辅助电源DC1都正常时，主选通功率开关K1由主控制电路C1控制，当主控制电路C1、主功率变换电路P1及主辅助电源DC1中的至少一个出现故障时，主选通功率开关K1由冗余控制电路C3控制。

同理，第二主控制单元的主选通功率开关K2的通断同时受第二主控制单元的主控制电路C2与冗余控制电路C3控制。当主控制电路C2、主功率变换电路P2及主辅助电源DC2都正常时，主选通功率开关K2由主控制电路C2控制，当主控制电路C2、主功率变换电路P2及主辅助电源DC2中的至少一个出现故障时，主选通功率开关K2由冗余控制电路C3控制。

两个冗余选通功率开关K3、K4的通断均受冗余控制电路C3控制，冗余控制电路C3分别与两个主控制电路C1、C2通信，形成冗余控制。

主控制电路C1、C2、冗余控制电路C3、主功率变换电路P1、P2和冗余功率变换电路P3集成在一个箱体中，冗余控制电路C3和冗余功率变换电路P3为主控制电路C1、C2和主功率变换电路P1、P2的热备份。

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“三合一”型悬浮控制器所有部件都正常时，主控制电路C1控制主选通功率开关K1闭合，并根据电磁铁一端的悬浮传感器信号通过控制算法计算出电磁铁两个串联线圈的电流期望值，控制主功率变换电路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。同样，主控制电路C2控制主选通功率开关K2闭合，并根据电磁铁另一端的悬浮传感器信号通过控制算法计算出电磁铁两个串联线圈的电流期望值，控制主功率变换电路P2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也保持在8mm左右。此时，车辆保持稳定悬浮状态。同时，冗余控制电路C3根据电磁铁两端悬浮传感器信号通过一定的悬浮控制算法分别计算出1个电磁铁两端两个两两串联线圈的电流期望值，但两个冗余选通功率开关K3、K4保持断开状态，不产生电流。

假设主控制电路C1、主功率变换电路P1及主辅助电源DC1中的至少一个出现故障，冗余控制电路C3根据故障诊断信号得到信息后，迅速断开主选通功率开关K1，同时闭合冗余选通功率开关K3。由冗余控制电路C3、冗余功率变换电路P3、冗余辅助电源DC3及冗余选通功率开关K3组成的电路接管此端电磁铁，继续工作。同样，假设主控制电路C2、主功率变换电路P2及主辅助电源DC2中的至少一个出现故障，控制电路C3根据故障诊断信号得到信息后，迅速断开K2，同时闭合K4。由冗余控制电路C3、冗余功率变换电路P3、冗余辅助电源DC3及冗余选通功率开关K4组成的电路接管此端电磁铁，继续工作。系统实现“热备”冗余控制。

需要说明的是，将主控制电路C1或主功率变换电路P1或主辅助电源DC1中的故障称为故障1，将主控制电路C2、主功率变换电路P2及主辅助电源DC2中的故障称为故障2，将冗余控制电路C3、冗余功率变换电路P3、冗余辅助电源DC3中的故障称为故障3，当故障1、故障2、故障3中的两个同时存在或先后出现时，控制器只能实现一个悬浮点悬浮，磁浮列车需要减速退出运行。还要指出的是，当主选通功率开关K1、K2、冗余选通功率开关K3、K4驱动板出现故障，对应的选通功率开关将保持断开状态。

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 (7)

1.一种磁浮列车悬浮控制器，用于控制磁浮列车电磁铁，其特征在于，包括三个控制单元，分别为第一主控制单元、第二主控制单元和冗余控制单元，其中第一主控制单元与第二主控制单元结构相同，均包括主控制电路(C1、C2)、主选通功率开关(K1、K2)、为所述主选通功率开关(K1、K2)提供功率的主功率变换电路(P1、P2)以及为所述主控制电路(C1、C2)和主功率变换电路(P1、P2)供电的主辅助电源(DC1、DC2)，两个所述的主选通功率开关(K1、K2)与电磁铁两端的串联线圈组一一对应连接，

所述的冗余控制单元包括冗余控制电路(C3)、两个冗余选通功率开关(K3、K4)、功率输出端分别与两个冗余选通功率开关(K3、K4)连接的冗余功率变换电路(P3)以及为所述冗余控制电路(C3)和冗余功率变换电路(P3)供电的冗余辅助电源(DC3)，所述的两个冗余选通功率开关(K3、K4)与电磁铁两端的串联线圈组一一对应连接，

第一主控制单元的主选通功率开关(K1)的通断同时受第一主控制单元的主控制电路(C1)与冗余控制电路(C3)控制，第二主控制单元的主选通功率开关(K2)的通断同时受第二主控制单元的主控制电路(C2)与冗余控制电路(C3)控制，两个冗余选通功率开关(K3、K4)的通断均受冗余控制电路(C3)控制，冗余控制电路(C3)分别与两个主控制电路(C1、C2)通信，形成冗余控制。

2.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制器，其特征在于，两个所述的主控制电路(C1、C2)分别与对应串联线圈组的悬浮传感器连接，所述的冗余控制电路(C3)同时与电磁铁两端的串联线圈组的悬浮传感器连接，用以计算串联线圈组所需电流，并控制主功率变换电路(P1、P2)或冗余功率变换电路(P3)在对应串联线圈组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器，其特征在于，所述的主功率变换电路(P1、P2)和冗余功率变换电路(P3)均为H型功率变换电路，且均包含全控型功率器件和续流二极管。

4.根据权利要求3所述的一种磁浮列车悬浮控制器，其特征在于，所述的全控型功率器件为IGBT或MOSFET。

5.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制器，其特征在于，所述的主选通功率开关(K1、K2)和冗余选通功率开关(K3、K4)均为全控型电子功率开关。

6.根据权利要求5所述的一种磁浮列车悬浮控制器，其特征在于，所述的全控型电子功率开关为IGBT或MOSFET。

7.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制器，其特征在于，所述的主控制电路(C1、C2)、冗余控制电路(C3)、主功率变换电路(P1、P2)和冗余功率变换电路(P3)集成在一个箱体中，所述的冗余控制电路(C3)和冗余功率变换电路(P3)为主控制电路(C1、C2)和主功率变换电路(P1、P2)的热备份。