CN105751916B

CN105751916B - 一种磁浮列车悬浮控制方法

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Publication number: CN105751916B
Application number: CN201610111346.8A
Authority: CN
Inventors: 徐俊起; 林国斌; 荣立军; 吉文
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: CN105751916A

Abstract

本发明涉及一种磁浮列车悬浮控制方法，用于控制磁浮列车电磁铁两端的串联线圈组的电流，该方法采用周期控制，每个控制周期执行以下步骤：1)获取电磁铁两端的悬浮传感器的数据信号以及传感器诊断信号；2)根据传感器诊断信号，分别判断各数据是否有故障，并根据判断结果进行悬浮控制信号的选择；3)根据悬浮控制信号，计算两端串联线圈组所需电流期望值；4)获取第一端主控制器和第二端主控制器自身诊断信号，并发送至冗余控制器，并根据诊断控制串联线圈组电流。与现有技术相比，本发明结合故障诊断信息及冗余控制器，在主控制器或悬浮传感器部分故障时，磁浮列车仍能正常工作，减少停运时间，提高了磁浮列车的可用度。

Description

一种磁浮列车悬浮控制方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮控制方法，尤其是涉及一种磁浮列车悬浮控制方法，属于采用电磁悬浮或永磁电磁混合悬浮的悬浮控制技术领域。

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，它根据安装在电磁铁上的悬浮传感器传送过来的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信号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，电磁铁1两端各装有一个悬浮传感器。每个电磁铁1由4个线圈组成，两端两个线圈两两串联在一起由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，磁浮列车只能慢速退出运行。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，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；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判断等技术性难题。

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能实现冗余控制、提高悬浮控制器可用性的磁浮列车悬浮控制方法。

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方法，用于控制磁浮列车电磁铁两端的串联线圈组的电流，其特征在于，该方法采用周期控制，每个控制周期执行以下步骤：

1)获取电磁铁两端的悬浮传感器的数据信号，包括三个第一端间隙数据S11、S12、S13、两个第一端加速度数据A11、A12、三个第二端间隙数据S21、S22、S23、两个第二端加速度数据A21、A22以及传感器诊断信号；

2)根据传感器诊断信号，分别判断间隙数据和加速度数据是否有故障，并根据判断结果执行相应动作，其中对间隙数据的处理为：若三个第一端间隙数据S11、S12、S13均无故障，则选择间隙值最小的一个作为悬浮控制信号之一；若三个第一端间隙数据S11、S12、S13中有且仅有一个故障，则选择两个正常数据中间隙值较小的一个作为悬浮控制信号之一；若三个第一端间隙数据S11、S12、S13中至少两个故障，则对应悬浮点降落，列车退出运行；

对加速度数据的处理为：若两个第一端加速度数据A11、A12均无故障，则任选一个作为悬浮控制信号之一；若两个第一端加速度数据A11、A12有且仅有一个故障，则选择正常的一个作为悬浮控制信号之一；若两个第一端加速度数据A11、A12均故障，则对应悬浮点降落，列车退出运行；

第一端和第二端的悬浮传感器的数据信号处理方式相同；

3)根据电磁铁两端的悬浮控制信号，采用两个主控制器分别计算对应串联线圈组所需电流期望值，并采用一个冗余控制器分别计算两端串联线圈组所需电流期望值，所述的主控制器包括第一端主控制器和第二端主控制器；

4)获取第一端主控制器和第二端主控制器自身诊断信号，并发送至冗余控制器，根据诊断结果执行相应动作：若第一端主控制器和第二端主控制器均正常，则第一端主控制器和第二端主控制器分别控制对应端的串联线圈组产生电流，使电磁铁与轨道之间距离稳定，车辆保持悬浮状态；若第一端主控制器和第二端主控制器中有且仅有一个故障，则出现故障的主控制器停止工作并由冗余控制器接替，正常的主控制器和冗余控制器分别控制对应端的串联线圈组产生电流，使电磁铁与轨道之间距离稳定，车辆保持悬浮状态；若第一端主控制器和第二端主控制器均出现故障，则令两个主控制器对应的串联线圈组中电流都为零，对应悬浮点降落，列车退出运行。

所述的步骤4中，串联线圈组产生电流的方法为：主控制器或冗余控制器中的控制电路输出脉宽调制信号至H桥功率变换电路，并使H桥功率变换电路输出端与对应串联线圈组接通。

所述的H桥功率变换电路输出端通过选通功率开关与对应串联线圈组连接，所述的选通功率开关的通断受主控制器或冗余控制器控制。

所述的悬浮传感器的数据信号与传感器诊断信号一一对应。

所述的两个主控制器和一个冗余控制器各自具有独立的电源模块。

所述的两个主控制器和一个冗余控制器各自具有独立的数字信号处理及传输模块。

所述的悬浮传感器包括电涡流探头和加速度计。

本发明结合“三合一”式悬浮控制器以及具有冗余功能的悬浮传感器，详细描述了具备冗余功能的悬浮控制方法，使目前中低速磁浮列车悬浮控制系统中存在的上述问题得到很好解决，提高磁浮列车的可用性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过使用冗余控制器接替故障的主控制器，解决了中低速磁浮列车悬浮系统冗余控制问题，在主控制器或悬浮传感器部分故障的情况下，磁浮列车仍可以正常工作，减少停运时间，大大提高了磁浮列车的可用度。

(2)利用故障诊断信息，对传感器数据信号采用“三取一”或“二取一”的形式，排除故障信号，同时采用控制选通功率开关的方法，快速切换控制器故障电路，达到了良好的综合控制效果。

(3)主控制器和冗余控制器各自具有独立的电源模块、独立的数字信号处理及传输模块，当其中的一路信号故障时，不影响其它几路信号正常工作。

附图说明

图1为现有技术的磁浮列车的结构示意图；

图2为实现本实施例方法的悬浮传感器结构示意图；

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；10-固定螺栓孔。

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3所示，一种磁浮列车悬浮控制方法，用于控制磁浮列车电磁铁两端的串联线圈组的电流，该方法采用周期控制，每个控制周期执行以下步骤：

1)获取电磁铁两端的悬浮传感器的数据信号，包括三个第一端间隙数据S11、S12、S13、两个第一端加速度数据A11、A12、三个第二端间隙数据S21、S22、S23、两个第二端加速度数据A21、A22以及传感器诊断信号，数据信号与传感器诊断信号一一对应；

2)根据传感器诊断信号，分别判断各数据是否有故障，并根据判断结果执行相应动作：若三个第一端间隙数据S11、S12、S13均无故障，则选择间隙值最小的一个作为悬浮控制信号之一；若三个第一端间隙数据S11、S12、S13中有且仅有一个故障，则选择两个正常数据中间隙值较小的一个作为悬浮控制信号之一；若三个第一端间隙数据S11、S12、S13中至少两个故障，则对应悬浮点降落；若两个第一端加速度数据A11、A12均无故障，则任选一个作为悬浮控制信号之一；若两个第一端加速度数据A11、A12有且仅有一个故障，则选择正常的一个作为悬浮控制信号之一；若两个第一端加速度数据A11、A12均故障，则对应悬浮点降落；两端的悬浮传感器的数据信号处理方式相同；本步骤中，故障数据均被抛弃，且故障信息均通过主控制器上传至车辆诊断系统记录下来，利于列车停运后的故障来源诊断，方便列车维保。

本步骤中，选取较小的间隙数据的原因是：当一个间隙传感器探头处于轨道接缝上时，选取较小的间隙数据作为控制信号，使列车顺利通过轨道接缝。

本步骤中，令S1X＝0，A1X＝0，X＝1，2，3表示间隙信号或加速度信号故障，S10、A10表示悬浮控制信号，则在第一端主控制器C1的控制电路中，对悬浮控制信号的选择及对故障信号的处理具体实施方法为：

2.1)如果S11≠0且S12≠0且S13≠0，则S10＝MIN(S11,S12,S13)；

2.2)如果S11＝0且S12<S13，则S10＝S12，否则S0＝S13；如果S12＝0且S11<S13，则S10＝S11，否则S10＝S13；如果S13＝0且S12<S11，则S10＝S12，否则S10＝S11；

2.3)如果S11、S12、S13三者中至少两个为0，则系统发出降落信号，此悬浮控制点落下；

2.4)如果A11≠0且A12≠0，则A10＝A11；

2.5)如果A11＝0且A12≠0，则A10＝A12；如果A12＝0且A11≠0，则A10＝A11；

2.6)如果A11、A12二者均为0，则系统发出降落信号，此悬浮控制点落下；

第二端主控制器C2的控制电路中，对悬浮控制信号的选择及对故障信号的处理具体实施方式与上述第一端主控制器C1的相同。冗余控制器C3的控制电路中，则并行处理S11、S12、S13、A11、A12与S21、S22、S23、A21、A22。

3)根据电磁铁两端的悬浮控制信号，采用两个主控制器分别通过一定的悬浮控制算法计算对应串联线圈组所需电流期望值，并采用一个冗余控制器C3分别计算两端串联线圈组所需电流期望值，所述的主控制器包括第一端主控制器C1和第二端主控制器C2；

4)获取第一端主控制器C1和第二端主控制器C2自身诊断信号，并发送至冗余控制器C3，并根据诊断结果执行相应动作：若第一端主控制器C1和第二端主控制器C2均正常，则第一端主控制器C1和第二端主控制器C2分别控制对应端的串联线圈组产生电流，使电磁铁与轨道之间距离稳定，保持在8mm左右，车辆保持悬浮状态；若第一端主控制器C1和第二端主控制器C2中有且仅有一个故障，则出现故障的主控制器停止工作并由冗余控制器C3接替，正常的主控制器和冗余控制器C3分别控制对应端的串联线圈组产生电流，使电磁铁与轨道之间距离稳定，车辆保持悬浮状态；若第一端主控制器C1和第二端主控制器C2均出现故障，则令两个主控制器对应的串联线圈组中电流都为零，对应悬浮点降落，滑橇降落在轨道上，列车退出运行。

步骤4中，串联线圈组产生电流的方法为：主控制器或冗余控制器C3中的控制电路输出脉宽调制信号至H桥功率变换电路的驱动板，由于H桥功率变换电路输出端通过选通功率开关与对应串联线圈组连接，且选通功率开关的通断受主控制器或冗余控制器C3控制，因此控制选通功率开关接通即可使串联线圈组中产生电流。

控制器故障，即控制器中的控制电路、H桥功率变换电路和选通功率开关中的至少一个出现故障。

两个主控制器和一个冗余控制器C3各自具有独立的电源模块、独立的数字信号处理及传输模块，当其中的一路信号故障时，不影响其它几路信号正常工作。

具有冗余功能的悬浮传感器如图2所示，由3个独立的电涡流探头S1、S2、S3，2个独立的加速度计A1、A2，5个独立的数字信号处理及传输模块以及3个独立电源模块DC1、DC2、DC3组成，传感器通过固定螺栓孔10固定。显然，当其中的一路信号故障时，不影响其它几路信号正常工作。

“三合一”式悬浮控制器结构如图3所示，由3套控制电路C1、C2、C3，3套独立的H型功率变换电路P1、P2、P3，4个选通功率开关K1、K2、K3、K4，以及3个独立的辅助电源DC1、DC2、DC3组成。N1、N2是逻辑选取单元，根据控制要求和故障状况选取C1或C3控制K1，选取C2或C3控制K2。

步骤4中，令XY＝0为故障，XY＝1为正常，KZ＝0为控制选通功率开关断开，KZ＝1为控制选通功率开关闭合，X＝C或P或DC，Y＝1或2，Z＝1或2或3或4；

如果C1、P1、DC1中至少一个为0，且C2、P2、DC2均为1，则K1＝0，K2＝1，K3＝1，K4＝0；如果C2、P2、DC2中至少一个为0，且C1、P1、DC1均为1，则K1＝1，K2＝0，K3＝0，K4＝1；如果C1、P1、DC1、C2、P2、DC2均为1，则K1＝1，K2＝1，K3＝K4＝0。

Claims

1.一种磁浮列车悬浮控制方法，用于控制磁浮列车电磁铁两端的串联线圈组的电流，其特征在于，该方法采用周期控制，每个控制周期执行以下步骤：

第一端和第二端的悬浮传感器的数据信号处理方式相同；

2.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的步骤4中，串联线圈组产生电流的方法为：主控制器或冗余控制器中的控制电路输出脉宽调制信号至H桥功率变换电路，并使H桥功率变换电路输出端与对应串联线圈组接通。

3.根据权利要求2所述的一种磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的H桥功率变换电路输出端通过选通功率开关与对应串联线圈组连接，所述的选通功率开关的通断受主控制器或冗余控制器控制。

4.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的悬浮传感器的数据信号与传感器诊断信号一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的两个主控制器和一个冗余控制器各自具有独立的电源模块。

6.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的两个主控制器和一个冗余控制器各自具有独立的数字信号处理及传输模块。

7.根据权利要求1所述的一种磁浮列车悬浮控制方法，其特征在于，所述的悬浮传感器包括电涡流探头和加速度计。