CN113665368A - 一种针对ems型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，包括第一控制线路、第二控制线路和第三控制板，第一控制线路包括依次连接的第一控制板、第一多路选择器、第一驱动板、第一IGBT开关和第一电磁铁；第二控制线路依次连接的第二控制板、第二多路选择器、第二驱动板、第二IGBT开关和第二电磁铁；第三控制板分别连接第一控制板、第二控制板、第一多路选择器和第二多路选择器，第三控制板还接收有第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号。与现有技术相比，本发明对两个悬浮控制器进行了集成，有效降低了列车载重，并且采用一块控制板同时实现了两块控制板的冗余控制，有效避免了以往冗余设计导致系统大幅增重的设计。
Description
技术领域
本发明涉及EMS型高速磁浮列车悬浮框控制技术领域，尤其是涉及一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统。
背景技术
磁浮列车作为一种新型的轨道交通工具，能够在有效达成高铁、地铁等大容量交通运输工具相类似载客需求的前提下实现无接触运行，从而避免了以往轨道交通面临的轮轨磨损问题和噪声问题，进而有效降低了运营维护成本，并且提高了运行速度上限。此外，由于目前研发与运行的磁浮列车均采用“抱轨”形式，因此有效避免了脱轨等重大事故发生的可能性，进而提高了安全可靠性。电磁铁是保证磁浮列车稳定悬浮的执行机构，而悬浮控制系统结合悬浮传感器和加速度传感器所输出信号改变电磁铁内部电流大小，使磁浮列车能够在期望悬浮间隙处(8mm～10mm)处进行稳定悬浮。在过去几十年的开发研究过程中，磁浮列车技术基本成熟，逐步走向商业化生产和运营。
目前，商业化运行的均为电磁悬浮型磁浮列车(EMS型磁浮列车)。悬浮系统主要由悬浮控制箱、悬浮传感器、悬浮电磁铁三大部件构成，而悬浮控制板故障导致的故障比例占整个悬浮系统故障的80％以上。而基于目前的技术手段，通常对悬浮控制箱整体采用冗余控制，即每一悬浮点均布置两个悬浮控制器机箱，这就导致了列车大幅增重，在降低载客量的同时也大幅提高了悬浮控制的可能性。
如图1所示，现有的对两个悬浮控制器机箱的控制器结构大体相同，均包括依次连接的控制板、驱动板和IGBT开关，IGBT开关连接悬浮控制器机箱中的电磁铁，电磁铁输出4路间隙信号、2路速度信号和2路加速度信号到控制板，控制板具体包括FPGA芯片和DSP芯片，采用FPGA进行信号的接收、处理，并将处理结果传递给DSP进行输出计算和以太网/CAN网通讯，在DSP获取计算结果后传递给FPGA输出PWM波到驱动板，驱动IGBT发送控制电流，该控制电流信号还反馈给DSP。
现有的对两个悬浮控制器机箱的控制器结构中，如果一个控制器发生故障，整个系统将会瘫痪，系统可靠性低。
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针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，以解决列车在运行过程中控制板发生故障导致的列车无法悬浮/悬浮失稳等现象，大幅提高磁浮列车运行稳定性和运营服务质量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，包括第一控制线路和第二控制线路，所述第一控制线路包括第一控制板、第一驱动板和第一IGBT开关，所述第一IGBT开关连接有第一电磁铁，所述第一控制板接收有所述第一电磁铁输出的传感器信号和第一IGBT开关输出的控制电流信号；所述第二控制线路包括第二控制板、第二驱动板和第二IGBT开关，所述第二IGBT开关连接有第二电磁铁，所述第二控制板接收有所述第二电磁铁输出的传感器信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号，
所述冗余容错控制系统还包括第三控制板、第一多路选择器和第二多路选择器，所述第一控制板经过所述第一多路选择器连接所述第一驱动板，所述第二控制板经过所述第二多路选择器连接所述第二驱动板，所述第三控制板分别连接所述第一控制板、第二控制板、第一多路选择器和第二多路选择器，所述第三控制板还接收有第一电磁铁输出的传感器信号、第一IGBT开关输出的控制电流信号、第二电磁铁输出的传感器信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号；
所述第一控制板和第二控制板实时向第三控制板发送生命信号，所述第三控制板实时监测所述生命信号，进行故障判断，若第一控制板或第二控制板发生故障，则第一多路选择器或第二多路选择器切换接入第三控制板，第三控制板接管第一控制板或第二控制板进行控制。
进一步地，所述第三控制板在监测生命信号过程中，还实时对获取的第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号进行接收和处理。
进一步地，所述第一控制板包括第一FPGA芯片和第一DSP芯片，所述第二控制板包括第二FPGA芯片和第二DSP芯片，所述第三控制板包括第三FPGA芯片和第三DSP芯片，所述第一FPGA芯片、第二FPGA芯片和第三FPGA芯片均用于进行信号的接收和处理，生成处理结果；所述第一DSP芯片、第二DSP芯片和第三DSP芯片均用于根据接收的处理结果进行输出计算；所述第三DSP芯片分别连接所述第一DSP芯片和第二DSP芯片，所述第一DSP芯片和第二DSP芯片均用于生成并向第三DSP芯片传输生命信号，所述第三FPGA芯片分别连接所述第一多路选择器和第二多路选择器。
进一步地，所述第三FPGA芯片实时对获取的第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号进行接收和处理。
进一步地，所述第三DSP芯片在判断出第一控制板或第二控制板故障后，对第三FPGA芯片传输的第一电磁铁输出的传感器信号处理结果或第二电磁铁输出的传感器信号处理结果进行输出计算。
进一步地，所述第一DSP芯片还接收有第一IGBT开关输出的控制电流信号，所述第二DSP芯片还接收有第二IGBT开关输出的控制电流信号，所述第三DSP芯片还分别接收有第一IGBT开关输出的控制电流信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号。
进一步地，所述第一多路选择器和第二多路选择器均为FPGA芯片。
进一步地，所述传感器信号包括4路间隙信号、2路速度信号和2路加速度信号。
进一步地，所述冗余容错控制系统还设有外部电源接口，用于接入外部电源为整个冗余容错控制系统供电。
进一步地，所述冗余容错控制系统还根据第一电磁铁或第二电磁铁出现一定周期的持续性砸轨现象进行所述故障判断。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在进行两个悬浮控制箱进行集成的同时对容易发生故障的两块控制板电路进行冗余设计，极大降低了目前冗余设计所造成的列车增重问题，降低了悬浮控制器的维修成本。
(2)当某一控制板发生故障时，基于母板上的FPGA_4和FPGA_5发送切换命令针对故障控制板进行切换，能够令控制板3及时投入工作，从而保证列车在悬浮状态下进行部件替换，不影响悬浮状态。
(3)本发明中用于冗余控制的控制板3中的FPGA_3同时收集电磁铁_1和电磁铁_2的传感器信息和电流环信息，根据控制板1和控制板2所传递给控制板3的生命信号判断哪一块控制板发生故障，根据判断结果基于发生故障的控制板所接收的传感器信号和电流环信号接管控制，此项设计采用一块冗余控制板同时实现了两个悬浮控制板的冗余设计，进一步保证了系统的可靠性。
附图说明
图1为EMS型高速磁浮列车悬浮框原有控制系统的结构框图；
图2为本发明实施例中提供的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，包括第一控制线路和第二控制线路，第一控制线路包括第一控制板(控制板1)、第一驱动板和第一IGBT开关，第一IGBT开关连接有第一电磁铁(电磁铁_1)，第一控制板接收有第一电磁铁输出的传感器信号和第一IGBT开关输出的控制电流信号；第二控制线路包括第二控制板(控制板2)、第二驱动板和第二IGBT开关，第二IGBT开关连接有第二电磁铁(电磁铁_2)，第二控制板接收有第二电磁铁输出的传感器信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号，
冗余容错控制系统还包括第三控制板(控制板3)、第一多路选择器和第二多路选择器，第一控制板经过第一多路选择器连接第一驱动板，第二控制板经过第二多路选择器连接第二驱动板，第三控制板分别连接第一控制板、第二控制板、第一多路选择器和第二多路选择器，第三控制板还接收有第一电磁铁输出的传感器信号、第一IGBT开关输出的控制电流信号、第二电磁铁输出的传感器信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号；
第一控制板和第二控制板实时向第三控制板发送生命信号，第三控制板实时监测生命信号，进行故障判断，若第一控制板或第二控制板发生故障，则第一多路选择器或第二多路选择器切换接入第三控制板，第三控制板接管第一控制板或第二控制板进行控制。
第三控制板在监测生命信号过程中，还实时对获取的第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号进行接收和处理。
工作原理：
本方案通过对悬浮系统进行故障分析可知，大部分故障主要是悬浮控制箱内部控制板上，导致输出电流不正常或者无电流输出，因此无需对悬浮控制箱整体进行冗余设计，仅需实现在异常工作状态下的控制板切换即可。
本方案对悬浮控制系统进行集成冗余设计，即对同一悬浮框同侧的两个悬浮控制器进行合并集成，并且对故障率较高的悬浮控制板进行冗余备份。第一控制板和第二控制板均进行信号采集、处理和传输、控制量输出、以太网/CAN网设计以及生命信号监测。在正常控制下第一控制板和第二控制板分别采集相关的传感器信号，并通过各自的驱动板分别驱动第一电磁铁和第二电磁铁。在第一控制板和第二控制板正常工作时，第三控制板的的工作在于同时接收第一电磁铁和第二电磁铁的传感器信号(悬浮间隙、垂向运动速度以及电磁铁垂向振动)、各自的电流反馈信号以及第一控制板和第二控制板的生命信号，并进行故障判断和待命。当第一控制板或第二控制板任一一块板卡发生故障，即不向第三控制板发送生命信号或者列车砸轨持续指定周期时，第三控制板接管故障板卡进行工作：第一多路选择器和第二多路选择器进行控制线路切换，第三控制板进行数据输出。
本实施例中，第一控制板、第二控制板和第三控制板采用均采用FPGA进行信号采集、处理和传输，采用DSP进行控制量输出、以太网/CAN网设计以及生命信号监测。
第一控制板、第二控制板分别采用独立的DSP输出PWM波到各自独立的驱动板，从而驱动各自的IGBT输出控制电流作用于电磁铁。于此同时，部分主电路，包括支撑电容、充放电电路可以采用同一套电路系统，从而对悬浮系统进行有效减重。
具体地，第一控制板包括第一FPGA芯片(FPGA_1)和第一DSP芯片(DSP_1)，第二控制板包括第二FPGA芯片(FPGA_2)和第二DSP芯片(DSP_2)，第三控制板包括第三FPGA芯片(FPGA_3)和第三DSP芯片(DSP_3)，第一FPGA芯片、第二FPGA芯片和第三FPGA芯片均用于进行信号的接收和处理，生成处理结果；第一DSP芯片、第二DSP芯片和第三DSP芯片均用于根据接收的处理结果进行输出计算；第三DSP芯片分别连接第一DSP芯片和第二DSP芯片，第一DSP芯片和第二DSP芯片均用于生成并向第三DSP芯片传输生命信号，第三FPGA芯片分别连接第一多路选择器和第二多路选择器。
第三FPGA芯片实时对获取的第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号进行接收和处理。
第三DSP芯片在判断出第一控制板或第二控制板故障后，对第三FPGA芯片传输的第一电磁铁输出的传感器信号处理结果或第二电磁铁输出的传感器信号处理结果进行输出计算。
第一DSP芯片还接收有第一IGBT开关输出的控制电流信号，第二DSP芯片还接收有第二IGBT开关输出的控制电流信号，第三DSP芯片还分别接收有第一IGBT开关输出的控制电流信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号。
第一多路选择器和第二多路选择器均为FPGA芯片，分别为第四FPGA芯片(FPGA_4)和第五FPGA芯片(FPGA_5)。
上述冗余容错控制系统还包括共用的支撑电容、充放电电路等配套电路器件，三套控制板分别与电源母板相连，两个多路选择器(FPGA_4和FPGA_5)位于母板，且斩波板、驱动板均与控制板相连。
该冗余容错控制系统取消传统IO板和信号板，将二者与控制板进行合并，实现三块控制板同时工作，其中一块控制板为其余两块控制板提供冗余功能，三块控制板通过接插件连接母板，与主电路、电源电路连接。
冗余容错控制系统本身包括外部电源接口用以接收DC-440V电源和DC-110V电源，DC-110V电源与电源模块相连经过降压后用于信号接收、处理、传递模块以及控制模块以及传感器单元。DC-440V电源用于驱动电源母板。
具体处理过程：
正常工作时，第一电磁铁和第二电磁铁分别输出4路间隙信号、2路速度信号和2路加速度信号到第一控制板和第二控制板，采用FPGA进行信号的接收、处理，并将处理结果传递给DSP进行输出计算和以太网/CAN网通讯，在DSP获取计算结果后传递给FPGA输出PWM波到驱动板，驱动IGBT发送控制电流。同时，第一电磁铁和第二电磁铁所输出的所有传感器信号和闭环电流环的电流信号传递给第三控制板，但第三控制板中的FPGA_3正常工作，进行信号接收和处理，但不向DSP_3传递，DSP_3仅用于监测DSP_1和DSP_2发送的生命信号。
在某一控制板故障时，向DSP_3发送的生命信号失常或者出现所对应电磁铁出现一定周期的持续性砸轨现象，通过FPGA_4或FPGA_5进行控制板切换，第三控制板接替工作，此时在FPGA_3内部进行信号甄别。由于FPGA_3同时接收了第一控制板和第二控制板的所有信号，因此在判定具体哪一块控制板(第一控制板或第二控制板)出问题后，将故障控制板所接入的传感器信号和电流信号接入DSP_3，由DSP_3接替故障控制板中的进行输出计算，并输出控制量到FPGA_3生成PWM波到驱动板，驱动IGBT发送控制电流使悬浮保持稳定。
综上，本发明采用集成冗余设计，三块控制板之间相互独立，并且都具有信号接收、处理及传递功能，均采用DSP作为主控制芯片，任一一块控制板出现故障都不会影响悬浮控制器的正常工作，可靠性高。并且将两个控制器集成后第三控制板同时为第一控制板和第二控制板提供冗余备份，在有效降低悬浮控制器重量的同时进一步提高了悬浮控制器的稳定性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，包括第一控制线路和第二控制线路，所述第一控制线路包括第一控制板、第一驱动板和第一IGBT开关，所述第一IGBT开关连接有第一电磁铁，所述第一控制板接收有所述第一电磁铁输出的传感器信号和第一IGBT开关输出的控制电流信号；所述第二控制线路包括第二控制板、第二驱动板和第二IGBT开关，所述第二IGBT开关连接有第二电磁铁，所述第二控制板接收有所述第二电磁铁输出的传感器信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号，其特征在于，
所述冗余容错控制系统还包括第三控制板、第一多路选择器和第二多路选择器，所述第一控制板经过所述第一多路选择器连接所述第一驱动板，所述第二控制板经过所述第二多路选择器连接所述第二驱动板，所述第三控制板分别连接所述第一控制板、第二控制板、第一多路选择器和第二多路选择器，所述第三控制板还接收有第一电磁铁输出的传感器信号、第一IGBT开关输出的控制电流信号、第二电磁铁输出的传感器信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号；
所述第一控制板和第二控制板实时向第三控制板发送生命信号，所述第三控制板实时监测所述生命信号，进行故障判断，若第一控制板或第二控制板发生故障，则第一多路选择器或第二多路选择器切换接入第三控制板，第三控制板接管第一控制板或第二控制板进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述第三控制板在监测生命信号过程中，还实时对获取的第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号进行接收和处理。
3.根据权利要求1所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述第一控制板包括第一FPGA芯片和第一DSP芯片，所述第二控制板包括第二FPGA芯片和第二DSP芯片，所述第三控制板包括第三FPGA芯片和第三DSP芯片，所述第一FPGA芯片、第二FPGA芯片和第三FPGA芯片均用于进行信号的接收和处理，生成处理结果；所述第一DSP芯片、第二DSP芯片和第三DSP芯片均用于根据接收的处理结果进行输出计算；所述第三DSP芯片分别连接所述第一DSP芯片和第二DSP芯片，所述第一DSP芯片和第二DSP芯片均用于生成并向第三DSP芯片传输生命信号，所述第三FPGA芯片分别连接所述第一多路选择器和第二多路选择器。
4.根据权利要求3所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述第三FPGA芯片实时对获取的第一电磁铁输出的传感器信号和第二电磁铁输出的传感器信号进行接收和处理。
5.根据权利要求4所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述第三DSP芯片在判断出第一控制板或第二控制板故障后，对第三FPGA芯片传输的第一电磁铁输出的传感器信号处理结果或第二电磁铁输出的传感器信号处理结果进行输出计算。
6.根据权利要求3所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述第一DSP芯片还接收有第一IGBT开关输出的控制电流信号，所述第二DSP芯片还接收有第二IGBT开关输出的控制电流信号，所述第三DSP芯片还分别接收有第一IGBT开关输出的控制电流信号和第二IGBT开关输出的控制电流信号。
7.根据权利要求1所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述第一多路选择器和第二多路选择器均为FPGA芯片。
8.根据权利要求1所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述传感器信号包括4路间隙信号、2路速度信号和2路加速度信号。
9.根据权利要求1所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述冗余容错控制系统还设有外部电源接口，用于接入外部电源为整个冗余容错控制系统供电。
10.根据权利要求1所述的一种针对EMS型高速磁浮列车悬浮框的冗余容错控制系统，其特征在于，所述冗余容错控制系统还根据第一电磁铁或第二电磁铁出现一定周期的持续性砸轨现象进行所述故障判断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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