CN112172534A - 一种悬浮架及其集中式悬浮控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮架及其集中式悬浮控制器，包括电源模块、主电路、斩波器、悬浮控制计算机、电流传感器和悬浮传感器，控制电源和悬浮电源经过电源模块得到弱电控制电源，弱电控制电源分别与斩波器的驱动电路和悬浮控制计算机连接，悬浮电源通过主电路与斩波器连接，悬浮控制计算机的输入端分别与电流传感器和悬浮传感器连接，输出端与斩波器的驱动电路连接，斩波器的输出端经过电流传感器与悬浮电磁铁连接。本发明将现有四个独立控制器集成为一个控制器，采集现有悬浮架上悬浮电磁铁的悬浮信息,通过悬浮控制算法融合四个悬浮电磁铁的信息，实现同一悬浮架上四个悬浮电磁铁的解耦控制，使其运动相互独立，提高悬浮稳定性和车辆运行的舒适性。

Description

一种悬浮架及其集中式悬浮控制器

技术领域

本发明涉及磁悬浮列车悬浮控制技术领域，特别是涉及一种悬浮架及其集中式悬浮控制器。

背景技术

现有的悬浮架如下图1所示，两个悬浮电磁铁组成一个悬浮模块，两个悬浮模块由防滚梁连接成一个悬浮架，每个悬浮电磁铁由一套悬浮控制器控制，那么一个悬浮架须由4个独立的悬浮控制器使其稳定悬浮在额定悬浮间隙，这种结构的悬浮架中悬浮控制器数量多，不便于冗余控制与维护保养，且4个控制器之间没有信息交互，不便于悬浮架整体悬浮性能的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种悬浮架及其集中式悬浮控制器，具有结构简单、悬浮稳定、成本低廉的优点。

一方面，本发明提供了一种集中式悬浮控制器，用于悬浮架的悬浮控制，包括电源模块、主电路、斩波器、悬浮控制计算机、电流传感器和悬浮传感器，控制电源和悬浮电源经过电源模块得到弱电控制电源，弱电控制电源分别与斩波器的驱动电路和悬浮控制计算机连接，为集中式悬浮控制器提供用于控制的弱电；所述悬浮电源通过主电路与斩波器连接，所述悬浮电源用于为主电路提供电源通路；所述悬浮控制计算机的输入端分别与电流传感器和悬浮传感器连接，其输出端与斩波器的驱动电路连接，所述斩波器的输出端经过电流传感器与悬浮电磁铁连接；所述悬浮传感器安装在悬浮电磁铁上，用于检测悬浮间隙信号和悬浮加速度信号；所述悬浮控制计算机根据接收的悬浮电磁铁的悬浮电流信号以及悬浮传感器提供的悬浮间隙信号和悬浮加速度信号通过悬浮控制算法模块计算得到PWM控制量控制斩波器动作，所述斩波器用于将主电路提供的电源调制成悬浮控制计算机所期望的悬浮电流输入至悬浮电磁铁中，进而控制悬浮电磁铁稳定悬浮。

进一步地，所述斩波器的数量为四个，四个斩波器并联设置且分别与悬浮架上设置的四个悬浮电磁铁一一对应连接，所述悬浮电源通过主电路分别与四个斩波器连接。

进一步地，所述电流传感器和悬浮传感器的数量均为四个，所述悬浮控制计算机的输入端分别与四个电流传感器和四个悬浮传感器连接。

进一步地，所述主电路包括依次串联设置的EMC滤波器、接触器、保险丝和电解电容，所述EMC滤波器与悬浮电源连接，所述电解电容分别与四路斩波器连接。

进一步地，所述电源模块包括DC/DC变换器、故障报警模块和冗余输出模块，所述故障报警模块分别与DC/DC变换器和悬浮控制计算机连接，所述冗余输出模块与DC/DC变换器连接，所述当电源模块故障时，故障报警模块将故障上报给悬浮控制计算机，为集中式悬浮控制器的维护保养提供依据。

进一步地，所述电源模块采用双路冗余设计，DC/DC变换器由DC/DC转换器一和DC/DC转换器二组成，其中一路由控制电源经过DC/DC转换器一得到，另一路由悬浮电源经DC/DC变换器二变换而来，两路转变后的电源经过冗余输出模块得到弱电控制电源。

进一步地，所述悬浮控制计算机由信号调理板、信号采集板、第一主控板、第二主控板及底板组成，所述信号调理板、信号采集板、第一主控板、第二主控板均插设于底板上，信号调理板与电流传感器、悬浮传感器连接，用于对悬浮电流信号、悬浮间隙信号、悬浮加速度信号进行滤波、放大处理；所述信号采集板与信号调理板连接，用于对信号调理板处理完的悬浮电流信号、悬浮间隙信号、悬浮加速度信号进行采样，所述第一主控板和第二主控板均设计有运行悬浮控制算法模块的CPU。

进一步地，所述第一主控板和第二主控板的外形结构、硬件配置和内部运行设置均相同，且相互作为热备冗余。

进一步地，所述第一主控板和第二主控板的工作过程具体表现为：首先、第一主控板和第二主控板同时工作，同时进行悬浮控制算法的运算，都计算出四路PWM控制量；其次，选择第一主控板作为PWM控制量的输出板，第二主控板作为热备，但当第一主控板故障时，第二主控板立即接替第一主控板的工作，此时，第二主控板作为PWM控制量的输出板，同时第一主控板自动重新启动，作为第二主控板的热备。

本发明的集中式悬浮控制器相比现有技术，将四个独立控制器集成为一个控制器，具体包括电源模块、主电路、斩波器、悬浮控制计算机、电流传感器和悬浮传感器，控制电源和悬浮电源经过电源模块得到弱电控制电源，弱电控制电源分别与斩波器的驱动电路和悬浮控制计算机连接，悬浮电源通过主电路与斩波器连接，悬浮控制计算机的输入端分别与电流传感器和悬浮传感器连接，其输出端与斩波器的驱动电路连接，斩波器的输出端经过电流传感器与悬浮电磁铁连接，悬浮传感器安装在悬浮电磁铁上，该集中式悬浮控制器通过采集现有悬浮架上悬浮电磁铁(四个悬浮点)的悬浮信息(悬浮电流信号、悬浮间隙信号和加速度信号),通过悬浮控制算法模块进行悬浮控制算法可以融合四个悬浮点的信息，轻易实现同一悬浮架上四个悬浮点的解耦控制，使四个悬浮点的运动相互独立，从而提高悬浮稳定性和磁悬浮车辆运行的舒适性。

此外，本发明中电源模块采用双路冗余设计，提高了悬浮电源的可靠性能；悬浮控制计算机采用冗余设计，大大提高了磁悬浮车辆运营的可靠性和安全性。

另一方面，本发明还提供了一种悬浮架，包括两块悬浮模块及分别与其连接的防滚梁，所述防滚梁设置于两块悬浮模块之间，每块所述悬浮模块包括两个悬浮电磁铁，每个所述悬浮电磁铁均与其上任一项所述的集中式悬浮控制器连接，所述集中式悬浮控制器用于采集每个悬浮电磁铁的电流信号、悬浮间隙信号和悬浮加速度信号。

上述悬浮架显然具有悬浮稳定性高，能大大提高磁悬浮车辆运营的舒适性、可靠性和安全性的优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术的悬浮架的结构框图；

图2为本发明一实施例提供的集中式悬浮控制器的结构框图；

图3为图2中主电路的结构框图；

图4为图2中悬浮控制计算机的结构框图；

图5为本发明一实施例提供的悬浮架的结构框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。

如图2所示，一种集中式悬浮控制器，用于悬浮架的悬浮控制，包括电源模块、主电路、斩波器、悬浮控制计算机、电流传感器和悬浮传感器。其中，控制电源和悬浮电源经过电源模块得到弱电控制电源，弱电控制电源分别与斩波器的驱动电路和悬浮控制计算机连接，悬浮电源通过主电路与斩波器连接，悬浮控制计算机的输入端分别与电流传感器和悬浮传感器连接，其输出端与斩波器的驱动电路连接，斩波器的输出端经过电流传感器与悬浮电磁铁连接，悬浮传感器安装在悬浮电磁铁上。需要说明的是，本发明中悬浮架上设置的悬浮电磁铁，数量参照现有技术为四个，则该集中式悬浮控制器的主要工作原理是：弱电控制电源为集中式悬浮控制器提供用于控制的弱电，悬浮电源为控制器主电路提供电源通路，悬浮电源经过主电路后接入至斩波器，悬浮电磁铁的输入信号(包括悬浮间隙、悬浮加速度、悬浮电流等信号)输入悬浮控制计算机中，悬浮控制计算机根据悬浮电磁铁的输入信号通过悬浮控制算法模块计算得到PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制量控制斩波器动作，以调节控制悬浮电磁铁中的电流，斩波器将主电路电源调制成悬浮控制计算机所期望的悬浮电流输入至悬浮电磁铁中，进而控制悬浮电磁铁稳定悬浮。该集中式悬浮控制器通过采集现有悬浮架上悬浮电磁铁(四个悬浮点)的悬浮信息,通过悬浮控制算法可以融合四个悬浮点的信息，轻易实现同一悬浮架上四个悬浮点的解耦控制，使四个悬浮点的运动相互独立，从而提高悬浮稳定性和磁悬浮车辆运行的舒适性。

鉴于现有悬浮架上设置的悬浮电磁铁的数量为四个，本发明中斩波器、电流传感器和悬浮传感器的数量均优选为四个，四个斩波器并联设置且分别与悬浮架上设置的四个悬浮电磁铁(相当于四个悬浮点)一一对应连接，每个斩波器用于控制一个悬浮电磁铁，悬浮电源通过主电路分别与四个斩波器连接，悬浮控制计算机的输入端分别与四个电流传感器和四个悬浮传感器连接。

需要说明的是，上述悬浮控制算法模块优选为集中式四点悬浮控制算法模块，由滤波器模块、起浮/降落模块、解耦控制算法模块、反馈控制算法模块、故障判断模块、保护模块和PWM输出模块多个程序模块组成。滤波器模块用于将悬浮传感器和电流传感器信号进行数字滤波处理；起浮/降落模块用于实现悬浮电磁铁的缓慢起浮和缓慢降落动作，以解决快速起浮降落对车体和悬浮电源冲击过大的问题；解耦控制算法模块是集中式四点悬浮控制控制算法模块的核心模块，其利用数学方法解耦四个悬浮点的机械耦合，降低四个悬浮点的由于机械连接所带来的耦合；反馈控制算法模块对悬浮电磁铁的间隙、加速度和电流信息进行数学计算，最终得到实现悬浮电磁铁的稳定悬浮所需要的电流值；故障判断模块用于判断悬浮系统的故障，并实现故障上报；保护模块用于当悬浮系统发生故障时实现对悬浮系统的保护动作，以减小故障对整个系统的破坏；PWM输出模块用于将计算得到的悬浮电流值转换为斩波器需要的PWM值，并输出悬浮控制计算机。

进一步地，如图3所示，主电路包括依次串联设置的EMC滤波器、接触器、保险丝和电解电容，EMC滤波器与悬浮电源连接，电解电容分别与四个斩波器连接，接触器与悬浮控制计算机连接。EMC滤波器设置在悬浮电源进线端，用于减小外界对集中式悬浮控制器的干扰，同时在运行期间消除集中式悬浮控制器对外界的干扰；接触器受控于悬浮控制计算机，用于接通和断开悬浮电源与斩波器的连接；保险丝用于保护集中式悬浮控制器，当集中式悬浮控制器发生短路等故障时，断开斩波器与悬浮电源的连接，避免故障向上一级传递；电解电容用于稳定斩波器直流母线的电压，滤除斩波器产生的谐波噪声。

同时，如图2所示，本发明中电源模块采用双路冗余设计，包括DC/DC变换器、故障报警模块和冗余输出模块，该故障报警模块分别与DC/DC变换器和悬浮控制计算机连接，冗余输出模块与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器用于将固定的直流电压变换成可变的直流电压，当电源模块故障时，故障报警模块将故障上报给悬浮控制计算机，为集中式悬浮控制器的维护保养提供依据。需要说明的是，该DC/DC变换器优选由DC/DC转换器一和DC/DC转换器二组成，双路冗余设计中其中一路由控制电源经过DC/DC转换器一得到，另一路由悬浮电源经DC/DC变换器二变换而来，两路转变后的电源经过冗余输出模块得到弱电控制电源。

同时，作为本发明的优选实施例，悬浮控制计算机采用冗余设计，其结构框图参见图4，包括信号调理板、信号采集板、第一主控板、第二主控板及底板，信号调理板、信号采集板、第一主控板、第二主控板均设置于上底板上，且第一主控板和第二主控板的外形结构完全相同，具体地，信号调理板与电流传感器和悬浮传感器连接，用于对四个悬浮点的悬浮电流信号、悬浮间隙信号和悬浮加速度信号进行滤波、放大处理，信号采集板与信号调理板连接，用于对信号调理板处理完的悬浮电磁铁的悬浮电流信号、悬浮间隙信号和悬浮加速度信号进行采集，第一主控板和第二主控板均放置运行悬浮控制算法模块的CPU。需要提及的是，第一主控板和第二主控板的硬件配置和内部运行设置也均完全相同，相互作为热备冗余，两块主控板同时工作，同时进行悬浮控制算法的运算，都计算出四路PWM控制量，优先选择第一主控板作为PWM控制量的输出，第二主控板作为热备，但当第一主控板故障时，第二主控板立即接替第一主控板的工作，此时，第二主控板作为PWM控制量的输出板，同时第一主控板自动重新启动，作为第二主控板的热备。本发明中悬浮控制计算机有了热备冗余的功能，即使在磁悬浮车辆运营过程中其中一块主控板出现故障时，另一块主控板能立即接替工作，从而实现悬浮功能的无缝切换，保障磁悬浮车辆的正常运营，大大提高了磁悬浮车辆运营的可靠性。

另一方面，参见图5，本发明还提供了一种悬浮架，包括两块悬浮模块及分别与其连接的防滚梁，防滚梁设置于两块悬浮模块之间，每块悬浮模块包括两个悬浮电磁铁，每个所述悬浮电磁铁均与其上所述的集中式悬浮控制器连接，通过集中式悬浮控制器采集每个悬浮电磁铁的悬浮电流信号、悬浮间隙信号、悬浮加速度信号。需要说明的是，悬浮模块的具体结构参照现有技术，此处不再赘述。

综上所述，本发明具有如下优点：

(1)将现有技术中四个独立控制器集成为一个集中式悬浮控制器，降低了成本；

(2)电源模块采用双路冗余设计，一路由控制电源经过DC/DC转换器一得到，另一路由悬浮电源经DC/DC变换器二变换而来，提高了悬浮电源的可靠性能，同时该电源模块还设计有故障报警模块，当电源模块故障时，故障报警模块将故障上报给悬浮控制计算机，为集中式悬浮控制器的维护保养提供依据；

(3)悬浮控制计算机采用冗余设计，内部设有两块主控板，即使在磁悬浮车辆运营过程中一块主控板出现故障时，另一块主控板能立即接替工作，从而实现悬浮功能的无缝切换，保障磁悬浮车辆的正常运营，大大提高了磁悬浮车辆运营的可靠性；

(4)相比现有技术中独立控制器只采集一个悬浮电磁铁的信息，并根据该信息进行控制，但一个悬浮架上的四个悬浮电磁铁的运动是相互耦合的，因此独立式控制器不能实现解耦控制，且控制性能有一定的局限性，而本发明集中式悬浮控制器可同时采集了四个悬浮电磁铁的悬浮信息，在设计悬浮控制算法时可以融合四个悬浮电磁铁的悬浮信息，很容易实现同一悬浮架上四个悬浮电磁铁的解耦控制，使四个悬浮电磁铁的的运动相互独立，从而提高悬浮稳定性和磁悬浮车辆运行的舒适性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集中式悬浮控制器，用于悬浮架的悬浮控制，其特征在于，包括电源模块、主电路、斩波器、悬浮控制计算机、电流传感器和悬浮传感器，控制电源和悬浮电源经过电源模块得到弱电控制电源，弱电控制电源分别与斩波器的驱动电路和悬浮控制计算机连接，为集中式悬浮控制器提供用于控制的弱电；所述悬浮电源通过主电路与斩波器连接，所述悬浮电源用于为主电路提供电源通路；所述悬浮控制计算机的输入端分别与电流传感器和悬浮传感器连接，其输出端与斩波器的驱动电路连接，所述斩波器的输出端经过电流传感器与悬浮电磁铁连接；所述悬浮传感器安装在悬浮电磁铁上，用于检测悬浮间隙信号和悬浮加速度信号；所述悬浮控制计算机根据接收的悬浮电磁铁的悬浮电流信号以及悬浮传感器提供的悬浮间隙信号和悬浮加速度信号通过悬浮控制算法模块计算得到PWM控制量控制斩波器动作，所述斩波器用于将主电路提供的电源调制成悬浮控制计算机所期望的悬浮电流输入至悬浮电磁铁中，进而控制悬浮电磁铁稳定悬浮。

2.根据权利要求1所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述斩波器的数量为四个，四个斩波器并联设置且分别与悬浮架上设置的四个悬浮电磁铁一一对应连接，所述悬浮电源通过主电路分别与四个斩波器连接。

3.根据权利要求2所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述电流传感器和悬浮传感器的数量均为四个，所述悬浮控制计算机的输入端分别与四个电流传感器和四个悬浮传感器连接。

4.根据权利要求2所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述主电路包括依次串联设置的EMC滤波器、接触器、保险丝和电解电容，所述EMC滤波器与悬浮电源连接，所述电解电容分别与四个斩波器连接。

5.根据权利要求1所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述电源模块包括DC/DC变换器、故障报警模块和冗余输出模块，所述故障报警模块分别与DC/DC变换器和悬浮控制计算机连接，所述冗余输出模块与DC/DC变换器连接，当电源模块故障时，故障报警模块将故障上报给悬浮控制计算机，为集中式悬浮控制器的维护保养提供依据。

6.根据权利要求5所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述电源模块采用双路冗余设计，DC/DC变换器由DC/DC转换器一和DC/DC转换器二组成，其中一路由控制电源经过DC/DC转换器一得到，另一路由悬浮电源经DC/DC变换器二变换而来，两路转变后的电源经过冗余输出模块得到弱电控制电源。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述悬浮控制计算机由信号调理板、信号采集板、第一主控板、第二主控板及底板组成，所述信号调理板、信号采集板、第一主控板、第二主控板均设置于底板上，所述信号调理板与电流传感器、悬浮传感器连接，用于对悬浮电流信号、悬浮间隙信号、悬浮加速度信号进行滤波、放大处理；所述信号采集板与信号调理板连接，用于对信号调理板处理完的悬浮电流信号、悬浮间隙信号、悬浮加速度信号进行采样；所述第一主控板和第二主控板均设计有运行悬浮控制算法模块的CPU。

8.根据权利要求7所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述第一主控板和第二主控板的外形结构、硬件配置和内部运行设置均相同，且相互作为热备冗余。

9.根据权利要求8所述的集中式悬浮控制器，其特征在于，所述第一主控板和第二主控板的工作过程具体表现为：首先、第一主控板和第二主控板同时工作，同时进行悬浮控制算法的运算，都计算出四路PWM控制量；其次，选择第一主控板作为PWM控制量的输出板，第二主控板作为热备，但当第一主控板故障时，第二主控板立即接替第一主控板的工作，此时，第二主控板作为PWM控制量的输出板，同时第一主控板自动重新启动，作为第二主控板的热备。

10.一种悬浮架，包括两块悬浮模块及分别与其连接的防滚梁，所述防滚梁设置于两块悬浮模块之间，每块所述悬浮模块包括两个悬浮电磁铁，其特征在于，每个所述悬浮电磁铁均与权利要求1至9中任一项所述的集中式悬浮控制器连接，所述集中式悬浮控制器用于采集每个悬浮电磁铁的悬浮电流信号、悬浮间隙信号和悬浮加速度信号。

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