CN209813737U - 一种磁浮列车及其悬浮控制系统、控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁浮列车及其悬浮控制系统、控制器。本实用新型以核心计算控制单元进行多机热备冗余，通过增设多个独立且并行设置的核心计算控制单元，当核心计算控制单元发生故障时，通过仲裁控制单元能够实现迅速切换，不影响悬浮控制器的输出和悬浮控制系统的稳定性，且多个核心计算控制单元能够实现实时通信，具有结构简单、可靠性强、无故障率高、成本较低的优点。

Description

一种磁浮列车及其悬浮控制系统、控制器

技术领域

本实用新型涉及磁浮交通悬浮控制系统领域，特别是涉及一种能进行热备冗余的磁浮列车悬浮控制器、控制系统以及包括该悬浮控制系统的磁浮列车。

背景技术

悬浮控制器是磁浮列车的核心系统之一，它的稳定可靠性直接关系到磁浮列车运行的稳定可靠。见图1，磁浮列车的电磁悬浮模块均由悬浮控制器的控制从而实现悬浮功能，每一节磁浮列车车厢至少由10台悬浮控制器构成，任意一台控制器的故障将造成磁浮列车不能正常运行，因此，高可靠性、安全性、稳定性的悬浮控制器的是磁浮列车正常运行的保障。

悬浮控制器内部涉及到大量电气设备，可以分为强电和弱电两个部分。控制器的弱电结构主要以信号处理和悬浮控制数字运算单元为主，其主要功能是接收悬浮传感器数据、综合控制器内部信息，进行悬浮控制策略得运算，输出对强电结构的控制信息。目前，悬浮控制器内部一般采用单一单元的设计，当任何一个部件出现故障时，容易造成悬浮控制器的故障，使得悬浮控制器的冗余性不足，平均无故障时间受关键器件的影响大。

因此，为提高磁浮系统的可靠性，如何研发一种具有热备冗余功能的悬浮控制器、控制系统以及包括该悬浮控制系统的磁浮列车，成了本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出一种悬浮控制器、控制系统以及包括该悬浮控制系统的磁浮列车，其基于内部双机热备冗余，在不增加过多器件、不大幅提高系统成本、不增大控制器体积的前提下，能够大幅提高悬浮控制器的可靠性。

一方面，本实用新型提供了一种悬浮控制器，包括相互连接的弱电结构和强电结构，所述弱电结构包括信号采集单元、仲裁控制单元及分别与仲裁控制单元相连的核心计算控制单元和信号转换传输单元，所述核心计算控制单元、仲裁控制单元和信号转换传输单元之间的信息双向传输：

所述核心计算控制单元的数量为若干个，若干个所述核心计算控制单元并行设置，每个核心计算控制单元均与仲裁控制单元相连；

所述仲裁控制单元用于实时监控各个核心计算控制单元的工作状态、判定核心计算控制单元的准确性、选择优化的控制计算量进行输出；

所述信号转换传输单元用于实现信号的接收、转换和传输；

所述信号采集单元与信号转换输出单元相连，用于悬浮控制器的内部信息收集。

进一步地，所述仲裁控制单元设置有FPGA芯片，所述FPGA芯片用于并行运算和信号处理。

进一步地，所述弱电结构还包括与仲裁控制单元相连的存储单元，所述存储单元用于存储核心计算控制单元出现的宕机、运算错误等故障信息。

进一步地，所述强电结构包括IGBT驱动模块及与其相连的悬浮模块电源，所述信号转换传输单元与IGBT驱动模块相连。

另一方面，本实用新型还提供了一种悬浮控制系统，包括悬浮控制器、悬浮模块及安装在悬浮模块上的传感器，所述悬浮控制器与悬浮模块相连，所述悬浮控制器为其上任一项所述的悬浮控制器，所述信号采集单元还用于采集传感器的信息。

进一步地，所述悬浮控制器与悬浮模块通过以太网进行信息互换和监控。

进一步地，所述传感器包括并行设置的加速度传感器、间隙传感器和电流传感器，所述加速度传感器用于测量悬浮模块的竖直运动加速度，所述间隙传感器用于测量所述悬浮模块的悬浮间隙；所述电流传感器用于测量所述悬浮模块的悬浮电流。

再一方面，本实用新型还提供了一种磁浮列车，包括若干节车厢，每节车厢均设置有悬浮控制系统，所述悬浮控制系统为其上任一项所述的悬浮控制系统。

本实用新型以核心计算控制单元进行多机热备冗余，通过增设多个独立且并行设置的核心计算控制单元，当核心计算控制单元发生故障时，通过仲裁控制单元能够实现迅速切换，不影响悬浮控制器的输出和悬浮控制系统的稳定性，且多个核心计算控制单元能够实现实时通信，具有结构简单、可靠性强、无故障率高、成本较低的优点。

附图说明

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

图1为现有技术中磁浮列车与悬浮控制系统和悬浮控制器的关系图；

图2为本实用新型中悬浮控制器中弱电结构的结构图；

图3为本实用新型中悬浮控制器内部结构的关系结构图；

图4为本实用新型中悬浮控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型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实用新型。

图2是本实用新型中悬浮控制器中弱电结构的结构图。图3是本实用新型中悬浮控制器内部结构的关系结构图。图4是本实用新型中悬浮控制方法的流程图。

实施例一：

一种悬浮控制器，包括相互连接的弱电结构和强电结构，弱电结构主要以信号处理和悬浮控制数字运算单元为主，输出对强电部分的控制信息，强电结构主要用于实现对输出电流的控制，具体地，如图3所示，弱电结构包括信号采集单元、仲裁控制单元、核心计算控制单元和信号转换传输单元，仲裁控制单元用于实时监控各个核心计算控制单元的工作状态、判定核心计算控制单元的准确性、选择优化的控制计算量进行输出；信号转换传输单元用于实现信号的接收、转换和传输；信号采集单元用于悬浮控制器的内部信息收集；上述仲裁控制单元分别与核心计算控制单元和信号转换传输单元相连，核心计算控制单元、仲裁控制单元和信号转换传输单元之间的信息双向传输：该核心计算控制单元的数量为若干个，若干个核心计算控制单元并行设置，每个核心计算控制单元均与仲裁控制单元相连；信号采集单元与信号转换输出单元相连。上述核心计算控制单元为多个独立的单元，相互独立同时运行，具备系统通信、信息交互、互检、计算任务协调分配等功能，通过多个的组合，能够大幅提高系统的稳定可靠性。

需要说明的是，为更好地实时对各个核心计算控制单元的工作状态监控、判定核心计算控制单元的准确性、选择优化控制计算量进行输出控制，仲裁控制单元以高可靠性FPGA作为仲裁控制器件，即仲裁控制单元设置有FPGA芯片，所述FPGA芯片用于并行运算和信号处理。

优选地，本实用新型中弱电结构还包括与仲裁控制单元相连的存储单元，该存储单元用于存储核心计算控制单元出现的宕机、运算错误等故障信息。在正常工作时，所有的核心计算控制单元、仲裁控制单元、信号转换传输单元都正常运行。当某一个或者多个核心计算控制单元出现宕机、运算错误等故障时，仲裁控制单元将在不大于1ms的时间内检测出错误信息，将控制输出信息在1ms以内切换到正常运算的核心计算控制单元输出，同时对发生错误、故障的控制单元进行暂时隔离后，控制进行软重启或者硬重启，上报和当前故障信息到指定存储单元，从而实现当核心部件故障时，实现系统的热备冗余功能，保证系统安全稳定运行。

同时，如图3所示，本实用新型中强电结构包括IGBT驱动模块及与其相连的悬浮模块电源，前述信号转换传输单元与IGBT驱动模块相连。优选地，信号转换传输单元将输出的PWM信号输出至IGBT驱动电路。

实施例二：

一种悬浮控制系统，包括悬浮控制器、悬浮模块及安装在悬浮模块上的传感器，悬浮控制器与悬浮模块相连，悬浮控制器为其上实施例一中所述的悬浮控制器，前述信号采集单元还用于采集传感器的信息。

在进一步地技术方案中，传感器包括并行设置的加速度传感器、间隙传感器和电流传感器，所述加速度传感器用于测量悬浮模块的竖直运动加速度，所述间隙传感器用于测量所述悬浮模块的悬浮间隙；所述电流传感器用于测量所述悬浮模块的悬浮电流。该加速度传感器、间隙传感器、电流传感器的测量信息最终传输给悬浮控制器。

此外，需要提及的是，本实施例中悬浮控制器与悬浮模块通过以太网进行信息互换和监控。

如图4所示，本实用新型中悬浮控制系统通过如下过程进行运算：

步骤一：系统上电初始化后，开始运行；

步骤二：信号采集单元采集传感器信息和悬浮控制器内部信息；

步骤三：通过信号转换传输单元将采集的传感器信息和悬浮控制器内部信息传输到若干个独立的核心计算控制单元；

步骤四：各个独立的核心计算控制单元按照预先设计的控制策略进行计算，将计算结果送入到仲裁控制单元；

步骤五：通过仲裁控制单元对核心计算控制单元计算得到的数据进行校验，对所有核心计算控制单元进行检测，将正确的数据输出到信号转换传输单元，对故障的核心计算控制单元进行重启和隔离；

步骤六：信号转换输出单元将含有正确数据的信号进行电平转换后，输出至强电结构，并实时进行控制。

在进一步地技术方案中，在步骤五中，仲裁控制单元对故障的核心计算控制单元进行重启和隔离，具体表现为：当某一个或者多个核心计算控制单元出现宕机、运算错误等故障时，仲裁控制单元将在不大于1ms的时间内检测出错误信息，并将控制输出信息在1ms以内切换到正常运算的核心计算控制单元输出，同时对发生错误、故障的核心计算控制单元进行暂时隔离后，控制进行软重启或者硬重启，上报当前故障信息到指定存储单元。

上述悬浮控制方法，设计了包括控制、通信、仲裁在内的精简控制方法，能够在不同版本、不同计算能力的悬浮计算单元上进行实现，且系统内部的软件算法冗余功能清晰，多个运算核心能够实现实时通信，进一步从软件上提高了系统的计算能力、增强系统的自检功能。

实施例三：

本实用新型还提供了一种磁浮列车，该列车包括若干节车厢，每节车厢均设置有悬浮控制系统，该悬浮控制系统为其上所述的悬浮控制系统。磁浮列车的其它结构可参考现有及改进的技术，本文在此不进行赘述。

综上所述，与现有的技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)相比于当前的悬浮控制器，以核心计算控制单元进行多机热备冗余，当核心计算控制单元发生故障时，能够实现迅速切换，切换时间不大于1ms，切换过程平稳，不影响悬浮控制器的输出和悬浮控制系统的稳定性，大幅增强了悬浮控制器的稳定可靠性，提高平均无故障时间。

(2)系统可移植性强，能够基于不同开发平台、不同软件环境实现正常工作，只需对现有的悬浮控制器进行适当优化，改造时间短、改造经费少；

(3)系统内部的软件算法冗余功能清晰，多个核心计算控制单元之间，仲裁控制单元与核心计算控制单元、信号转换传输单元之间均能够实现实时通信，进一步从软件上提高了系统的计算能力、增强系统的自检功能。

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

Claims (8)

1.一种悬浮控制器，包括相互连接的弱电结构和强电结构，其特征在于，所述弱电结构包括信号采集单元、仲裁控制单元及分别与仲裁控制单元相连的核心计算控制单元和信号转换传输单元，所述核心计算控制单元、仲裁控制单元和信号转换传输单元之间的信息双向传输：

所述核心计算控制单元的数量为若干个，若干个所述核心计算控制单元并行设置，每个核心计算控制单元均与仲裁控制单元相连；

所述仲裁控制单元用于实时监控各个核心计算控制单元的工作状态、判定核心计算控制单元的准确性、选择优化的控制计算量进行输出；

所述信号转换传输单元用于实现信号的接收、转换和传输；

所述信号采集单元与信号转换输出单元相连，用于悬浮控制器的内部信息收集。

2.根据权利要求1所述的悬浮控制器，其特征在于，所述仲裁控制单元设置有FPGA芯片，所述FPGA芯片用于并行运算和信号处理。

3.根据权利要求1所述的悬浮控制器，其特征在于，所述弱电结构还包括与仲裁控制单元相连的存储单元，所述存储单元用于存储核心计算控制单元出现的宕机、运算错误等故障信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的悬浮控制器，其特征在于，所述强电结构包括IGBT驱动模块及与其相连的悬浮模块电源，所述信号转换传输单元与IGBT驱动模块相连。

5.一种悬浮控制系统，包括悬浮控制器、悬浮模块及安装在悬浮模块上的传感器，所述悬浮控制器与悬浮模块相连，其特征在于，所述悬浮控制器为权利要求1至4中任一项所述的悬浮控制器，所述信号采集单元还用于采集传感器的信息。

6.根据权利要求5所述的悬浮控制系统，其特征在于，所述悬浮控制器与悬浮模块通过以太网进行信息互换和监控。

7.根据权利要求5所述的悬浮控制系统，其特征在于，所述传感器包括并行设置的加速度传感器、间隙传感器和电流传感器，所述加速度传感器用于测量悬浮模块的竖直运动加速度，所述间隙传感器用于测量所述悬浮模块的悬浮间隙；所述电流传感器用于测量所述悬浮模块的悬浮电流。

8.一种磁浮列车，包括若干节车厢，每节车厢均设置有悬浮控制系统，其特征在于，所述悬浮控制系统为权利要求5至7中任一项所述的悬浮控制系统。