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Abstract

本发明公开一种用于磁浮模型车的控制系统，包括数据交互单元、主控单元和从控单元，数据交互单元设置在主控单元和从控单元之间，用于获取主控单元和从控单元的状态数据，并实现主控单元与从控单元的数据交互；主控单元的遥控模块接收控制命令并保存控制命令的数据，主控单元通过数据交互单元将控制命令的数据传递给从控单元，从而控制从控单元的运行，从控单元的运行包括控制悬浮点的悬浮与降落；主控单元在接收到控制命令的数据后也会根据该控制命令运行起来，主控单元的运行包括控制悬浮点的悬浮与降落、对磁浮模型车的牵引与制动控制。本发明提供的控制系统可实现磁浮模型车的自动悬浮与降落、牵引与制动，以便于磁浮模型车的动态展示。

Description

一种用于磁浮模型车的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮控制技术领域，尤其是一种用于磁浮模型车的控制系统及方法。
背景技术
随着技术的发展，磁悬浮轨道的开发也进入了快车道，对磁悬浮轨道相关产品的需求逐渐增加。在磁悬浮轨道相关产品的推广、销售过程中，需要对磁悬浮轨道相关产品进行展示。
但是，目前市场上所出现的电磁悬浮模型，多用于装饰、展示与教学。市场上的磁悬浮模型，基本为小物件静态悬浮，无法进行水平牵引，使得对于磁悬浮轨道行业的原理展示和教学作用微弱。
发明内容
本发明提供一种用于磁浮模型车的控制系统及方法，用于克服现有技术中无法进行水平牵引等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种用于磁浮模型车的控制系统，包括数据交互单元、主控单元和从控单元；
所述数据交互单元设置在所述主控单元和所述从控单元之间，用于获取所述主控单元和所述从控单元的状态数据，并实现所述主控单元与所述从控单元的数据交互；
所述主控单元与所述从控单元分别布置在磁浮模型车的左、右两边，分别与所述数据交互单元双向电连接；所述主控单元包括牵引制动模块、第一悬浮控制模块和遥控模块；所述牵引制动模块用于控制整个磁浮模型车的牵引与制动；所述第一悬浮控制模块用于控制所述主控单元所在的磁浮模型车的左边或右边的悬浮与降落；所述遥控模块用于接收控制命令并保存所述控制命令的数据，所述遥控模块在保存所述控制命令的数据后，通过所述数据交互单元将所述控制命令的数据传递给所述从控单元；
所述从控单元包括第二悬浮控制模块，所述第二悬浮控制模块用于控制所述从控单元所在的磁浮模型车的右边或左边的悬浮与降落。
为实现上述目的，本发明提出一种用于磁浮模型车的控制方法，所述控制方法采用如上述所述的控制系统进行磁浮模型车的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供的用于磁浮模型车的控制系统，包括数据交互单元、主控单元和从控单元，数据交互单元设置在主控单元和从控单元之间，用于获取主控单元和从控单元的状态数据，并实现主控单元与从控单元的数据交互；主控单元的遥控模块接收控制命令并保存控制命令的数据，主控单元通过数据交互单元将控制命令的数据传递给从控单元，从而控制从控单元的运行，从控单元的运行包括控制悬浮点的悬浮与降落；主控单元在接收到控制命令的数据后也会根据该控制命令运行起来，主控单元的运行包括控制悬浮点的悬浮与降落、对磁浮模型车的牵引与制动控制。本发明提供的控制系统通过主控单元和从控单元的共同作用，可实现磁浮模型车的自动悬浮与降落、牵引与制动，以便于磁浮模型车的动态展示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于磁浮模型车的控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例中第一数据采集模块或第二数据采集模块的数据采集流程图；
图3为本发明实施例中保护模块进行控制系统保护的流程图；
图4为本发明实施例中第一悬浮控制模块和第二悬浮控制模块中悬浮控制的流程图；
图5为本发明实施例中牵引制动模块中牵引制动控制流程图；
图6为本发明实施例中遥控模块的工作流程图；
图7为本发明中数据交互单元的工作流程图；
图8为本发明实施例中悬浮点的电流和悬浮间隙反馈PID控制的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
磁浮模型车一般只有一节车厢，车厢具有4个悬浮点，磁浮模型车的左、右两边各有2个悬浮点，呈口字形排列。在硬件设计上，两块控制单元板各控制磁浮模型车一边的电磁铁。
本发明提出一种用于磁浮模型车的控制系统，如图1所示，包括数据交互单元、主控单元和从控单元；
所述数据交互单元设置在所述主控单元和所述从控单元之间，用于获取所述主控单元和所述从控单元的状态数据，并实现所述主控单元与所述从控单元的数据交互；
所述主控单元与所述从控单元分别布置在磁浮模型车的左、右两边，分别与所述数据交互单元双向电连接；所述主控单元包括牵引制动模块、第一悬浮控制模块和遥控模块；所述牵引制动模块用于控制整个磁浮模型车的牵引与制动；所述第一悬浮控制模块用于控制所述主控单元所在的磁浮模型车的左边或右边的悬浮与降落；所述遥控模块用于接收控制命令并保存所述控制命令的数据，所述遥控模块在保存所述控制命令的数据后，通过所述数据交互单元将所述控制命令的数据传递给所述从控单元；
所述从控单元包括第二悬浮控制模块，所述第二悬浮控制模块用于控制所述从控单元所在的磁浮模型车的右边或左边的悬浮与降落。
数据交互，即为主控单元通过数据交互单元获取从控单元的状态数据，同时主控单元通过数据交互单元向从控单元传递控制命令的数据。
在实际应用中，磁浮模型车的车厢数量若增加，也可通过本发明提供的控制系统实现控制，只需增加从控单元的数量即可实现，多增加一节车厢则多增加2个从控单元，2个所述从控单元分别布置在车厢的左、右两边。
在其中一个实施例中，主控单元为modbus通信协议定义的通信主站；从控单元为modbus通信协议定义的通信从站。
modbus通信协议只允许有一个主站，采用主问从答的通信方式，在进行通信时必须保持轮询通信访问。
轮询是一种CPU决策如何提供周边设备服务的方式，由CPU定时发出询问，依序询问每一个周边设备是否需要其服务，有即给予服务，服务结束后再问下一个周边，接着不断周而复始。
在下一个实施例中，主控单元还包括第一数据采集模块，用于采集主控单元所在的磁浮模型车的左边或右边的状态数据；从控单元还包括第二数据采集模块，用于采集从控单元所在的磁浮模型车的右边或左边的状态数据。
在某个实施例中，第一数据采集模块和第二数据采集模块均通过ADC(analog-to-digital converter，模数转换器)采集状态数据；状态数据包括悬浮点的悬浮间隙，悬浮点的电流，电源电压，电机温度，电磁铁温度和MOS管温度。
悬浮间隙为磁浮模型车悬浮点与轨道的距离。
由于磁浮模型车的左边或右边有2个悬浮点，因此第一数据采集模块和第二数据采集模块均需采集两个悬浮间隙和两个悬浮点的电流，分别记为悬浮间隙Ⅰ和悬浮间隙Ⅱ、电流Ⅰ和电流Ⅱ。
第一数据采集模块或第二数据采集模块通过ADC依次采集悬浮点的悬浮间隙，悬浮点的电流，电源电压，电机温度，电磁铁温度和MOS管温度等状态数据，如图2所示。
在下一个实施例中，主控单元还包括保护模块，用于进行磁浮模型车的温度超限保护、电流超限保护和悬浮间隙超限保护，如图3所示。
当温度(电机温度，电磁铁温度和MOS管温度)、悬浮点的电流、悬浮间隙等采样数据超过预先设置的限制值时，保护模块将进行故障警告与急停保护，能够第一时间发现异常故障所在，防止设备受损与安全事故的发生。
在保护模块对控制系统进行故障警告或急停保护时，外部控制命令将无法正常控制磁浮模型车的悬浮与牵引功能，直到故障警告或急停保护解除。
在另一个实施例中，第一悬浮控制模块和第二悬浮控制模块内设置有相同的悬浮控制程序，悬浮控制程序如图4所示，包括：
接收到控制命令后，对电磁铁的电流输出控制进行使能，并对悬浮点的悬浮间隙进行追踪，获得追踪间隙；对电磁铁的电流输出控制进行使能，即相当于一个电流输出的开关，使能后才能输出控制电流。
根据追踪间隙，利用悬浮控制算法(PID闭环反馈，如图8所示)计算获得悬浮点上升距离或下降距离；悬浮控制算法中除了对于悬浮间隙的闭环反馈控制以外，为了优化悬浮控制实时性，还加入了电流反馈来减少电磁铁电感对电流变化方面的影响；
采集的悬浮间隙为电磁铁与轨道之间的间隙值，电磁铁处于轨道下方，当采集的悬浮间隙减少代表电磁铁靠近轨道，表现为车体整体受电磁铁吸附轨道的力上托，实现车体的悬浮。
判断所述追踪间隙与设定间隙的大小关系，若追踪间隙大于设定间隙，则通过悬浮控制算法对电机的电流输出控制以使追踪间隙按所述下降距离匀速减小，直到追踪间隙等于设定间隙；若追踪间隙小于设定间隙，则通过悬浮控制算法对电机的电流输出控制以使追踪间隙按所述上升距离匀速增大，直到追踪间隙等于设定间隙。
本实施例提供的第一悬浮控制模块和第二悬浮控制模块使“追踪间隙”靠近“设定间隙”的速度变慢，例如设“设定间隙”为8mm，“追踪间隙”初始值为11mm，在“追踪间隙”大于“设定间隙”时，“追踪间隙”每50ms减去x mm，可通过控制x的大小来控制模型车悬浮到“设定间隙”的速度。目的在于使磁浮模型车实现缓慢上升与缓慢降落的功能，以保证磁浮模型车的稳定运行。
在下一个实施例中，牵引制动模块内设置有变频器，通过变频器实现对磁浮模型车电机的牵引与制动控制，如图5所示。
牵引制动模块包含牵引与制动两部分功能。在进行牵引控制之前，首先需要通过悬浮状态标志位判断磁浮模型车是否处于悬浮状态，若磁浮模型车处于未悬浮状态，为了避免阻尼过大烧毁电机，此时不能对磁浮模型车进行牵引控制；当磁浮模型车处于悬浮状态时，在分析接收到的控制命令后，使用485modbus通信协议向变频器发送对应的控制命令语句，由变频器完成对电机的牵引与制动控制。
本实施例中，电机(小型短定子直线感应电机)通电后与轨道上的铝感应板相互作用，实现对轨道无接触的牵引制动。通过电磁铁与轨道的“U”形结构实现牵引过程中的左、右方向的自动导向(在低速磁浮运行中，左右方向仅仅依靠结构上的自导向就已经足够了，控制系统上没有做主动的导向)，实现悬浮状态下动态的牵引制动，完美的还原了磁悬浮列车的运行原理，能够更好的增加悬浮的展示效果，摆脱了静物无法引人注意的尴尬。
在某个实施例中，牵引制动模块还设置有接触开关，用于在磁浮模型车的车头或车尾检测到轨道上设置的感应点时自动换向，以使磁浮模型车能够不间断地运行，便于磁浮模型车展示。
在下一个实施例中，控制系统还包括上位机，用于实时显示数据交互单元获取的状态数据；上位机与数据交互单元双向电连接。
上位机为计算机或手机等。
对该控制系统的控制还可以通过上位机来实现，通过该上位机向控制系统发布控制命令，通过控制系统的数据交互单元将该控制命令分别传递给主控单元和从控单元。
本实施例提供的控制系统控制命令有两种来源：上位机和无线遥控。其中无线遥控是控制系统正常情况下的主要控制方式，如图6所示，无线遥控发布控制命令后，遥控模块通过解码无线遥控发出的无线信号，以获取无线遥控按下的正确功能码，从而分辨功能码进行功能控制。
在某个实施例中，控制系统还包括OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机电激光显示)，与数据交互单元单向电连接，用于实时显示数据交互单元获取的状态数据。
图7为本发明中数据交互单元的工作流程图，主控单元在运行后会定时通过数据交互单元向从控单元进行数据读写，以实现主控单元、从控单元的数据交互。数据交互的主要作用是为了将多个控制单元统合为一个整体，所有的控制命令在主控单元接收后同步到所有从控单元，所有从控单元的状态数据能够统一反馈到主控单元，所有的状态数据均可以通过OLED和上位机进行实时显示。
通过modbus通讯协议，主控单元对上位机进行数据读写，从而实现状态数据的监视和参数调试(参数包括：悬浮参数(设定间隙、PID参数)、悬浮命令、牵引命令等)，以方便根据磁浮模型车的状态数据调整磁浮模型车的悬浮高度、悬浮速度和悬浮稳定性。PID参数参与悬浮控制算法运算，主要分为kp(比例参数)、ki(积分参数)、kd(微分参数)，通过调整PID参数来调整悬浮控制的效果。
主控单元和从控单元通过采集到的悬浮点的电流和悬浮间隙数据进行PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分)闭环反馈控制，如图8所示，PID反馈控制通过实时输入悬浮间隙采集值来调整对电磁铁输出的电流，电流大小影响电磁铁的磁力来控制电磁铁与轨道的间隙，形成一个闭环。例如，悬浮间隙大于设定间隙时，则增大电流输出来增大电磁铁磁力来缩小间隙，反之亦然。由于电磁铁的线圈电感使电流变化会出现滞后的情况，悬浮控制算法中加入了相同原理的电流PID反馈。整体上是一个双反馈的PID控制系统。
本发明还提出一种用于磁浮模型车的控制方法，该控制方法采用上述所述的控制系统进行磁浮模型车的控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，包括数据交互单元、主控单元和从控单元；
所述数据交互单元设置在所述主控单元和所述从控单元之间，用于获取所述主控单元和所述从控单元的状态数据，并实现所述主控单元与所述从控单元的数据交互；
所述主控单元与所述从控单元分别布置在磁浮模型车的左、右两边，分别与所述数据交互单元双向电连接；所述主控单元包括牵引制动模块、第一悬浮控制模块和遥控模块；所述牵引制动模块用于控制整个磁浮模型车的牵引与制动；所述第一悬浮控制模块用于控制所述主控单元所在的磁浮模型车的左边或右边的悬浮与降落；所述遥控模块用于接收控制命令并保存所述控制命令的数据，所述遥控模块在保存所述控制命令的数据后，通过所述数据交互单元将所述控制命令的数据传递给所述从控单元；
所述从控单元包括第二悬浮控制模块，所述第二悬浮控制模块用于控制所述从控单元所在的磁浮模型车的右边或左边的悬浮与降落。
2.如权利要求1所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述主控单元为modbus通信协议定义的通信主站；所述从控单元为modbus通信协议定义的通信从站。
3.如权利要求1所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述主控单元还包括第一数据采集模块，用于采集所述主控单元所在的磁浮模型车的左边或右边的状态数据；所述从控单元还包括第二数据采集模块，用于采集所述从控单元所在的磁浮模型车的右边或左边的状态数据。
4.如权利要求3所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述第一数据采集模块和所述第二数据采集模块均通过ADC采集所述状态数据；所述状态数据包括悬浮点的悬浮间隙，悬浮点的电流，电源电压，电机温度，电磁铁温度和MOS管温度。
5.如权利要求1所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述主控单元还包括保护模块，用于进行磁浮模型车的温度超限保护、电流超限保护和悬浮间隙超限保护。
6.如权利要求1所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述第一悬浮控制模块和所述第二悬浮控制模块内设置有相同的悬浮控制程序，所述悬浮控制程序包括：
接收到控制命令后，对电磁铁的电流输出控制进行使能，并对悬浮点的悬浮间隙进行追踪，获得追踪间隙；
根据所述追踪间隙，利用悬浮控制算法计算获得悬浮点上升距离或下降距离；
判断所述追踪间隙与设定间隙的大小关系，若追踪间隙大于设定间隙，则通过悬浮控制算法对电机的电流输出控制以使追踪间隙按所述下降距离匀速减小，直到追踪间隙等于设定间隙；若追踪间隙小于设定间隙，则通过悬浮控制算法对电机的电流输出控制以使追踪间隙按所述上升距离匀速增大，直到追踪间隙等于设定间隙。
7.如权利要求1所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述牵引制动模块内设置有变频器，通过所述变频器实现对磁浮模型车电机的牵引与制动控制。
8.如权利要求7所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述牵引制动模块还设置有接触开关，用于在磁浮模型车的车头或车尾检测到轨道上设置的感应点时自动换向。
9.如权利要求1所述的用于磁浮模型车的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括上位机，用于实时显示所述数据交互单元获取的状态数据；所述上位机与所述数据交互单元双向电连接。
10.一种用于磁浮模型车的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用如权利要求1～9任一项所述的控制系统进行磁浮模型车的控制。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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