CN215944313U - 一种控制板异构冗余的悬浮控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种控制板异构冗余的悬浮控制器，第一控制板和第二控制板的输入端连接磁浮列车的传感器，第一控制板和第二控制板的输出端连接主控板，主控板产生控制电流作用于磁浮列车的电磁铁，第一控制板上设有生命信号发送接口，第二控制板上设有与生命信号发送接口相连的生命信号接收接口，第二控制板上还设有连接主控板的切换使能信号输出接口。与现有技术相比，本实用新型使用了第一控制板和第二控制板双备份冗余设计，两个控制板共用一个主控板，只需在一个控制板故障时切换至另一个控制板即可，在保证悬浮控制可靠性的前提下避免了冗余设计导致的大幅增重问题。

Description

一种控制板异构冗余的悬浮控制器

技术领域

本实用新型涉及磁浮列车领域，尤其是涉及一种应用于中低速磁浮列车或高速磁浮列车的控制板异构冗余的悬浮控制器。

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。在磁浮列车中，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的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，而悬浮控制箱故障导致的故障比例占整个悬浮系统故障的80％以上。目前采用的解决方法通常是对悬浮控制箱采用冗余控制，即每一悬浮点均布置两个悬浮控制器机箱，由于列车上装配有多个悬浮控制系统，悬浮控制箱冗余设计导致了列车大幅增重，在降低载客量的同时也容易造成悬浮列车故障。

实用新型内容

本实用新型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控制板异构冗余的悬浮控制器，使用了第一控制板和第二控制板双备份冗余设计，两个控制板共用一个主控板，只需在一个控制板故障时切换至另一个控制板即可，在保证悬浮控制可靠性的前提下避免了冗余设计导致的大幅增重问题。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种控制板异构冗余的悬浮控制器，连接磁浮列车的传感器和电磁铁，包括：第一控制板、第二控制板、主控板和电源；

第一控制板上设有第一信号输入接口、第一控制量输出接口和生命信号发送接口，第一信号输入接口连接磁浮列车的传感器，第一控制量输出接口连接主控板，生命信号发送接口持续输出生命信号，以表明第一控制板正常工作；

第二控制板上设有第二信号输入接口、第二控制量输出接口、生命信号接收接口和切换使能信号输出接口，第二信号输入接口连接磁浮列车的传感器，第二控制量输出接口和切换使能信号输出接口连接主控板，生命信号接收接口连接生命信号发送接口，如果生命信号接收接口接收不到生命信号，则认为第一控制板故障，第二控制板投入工作，由切换使能信号输出接口输出切换使能信号；

主控板包括接收模块和驱动模块，接收模块连接第一控制量输出接口、第二控制量输出接口和切换使能信号输出接口，驱动模块连接电磁铁和接收模块，接收模块将第一控制板或第二控制板输出的控制量发送至驱动模块，驱动模块根据控制量输出控制电流至电磁铁；

常规情况下接收模块接收第一控制量输出接口输出的控制量并将其发送至驱动模块，接收到切换使能信号后接收模块切换连接，接收第二控制量输出接口输出的控制量并将其发送至驱动模块；

电源连接所述第一控制板、第二控制板和主控板，为所述第一控制板、第二控制板和主控板供电。

进一步的，所述第一控制板包括第一FPGA芯片和DSP芯片，所述第一FPGA芯片上设有第一信号输入接口和第一控制量输出接口，DSP芯片与第一FPGA芯片连接，主控板输出的控制电流通过第一反馈线路发送至DSP芯片，所述DSP芯片上设有生命信号发送接口。

更进一步的，所述第一FPGA芯片中包括信号接收电路、信号传递电路和信号处理电路，所述DSP芯片中包括控制量计算模块、以太网/CAN网通讯模块和生命信号发送模块，即由第一FPGA芯片进行信号预处理，由DSP芯片进行计算和以太网/CAN网通讯。

进一步的，所述第二控制板包括第二FPGA芯片和ARM芯片，所述第二FPGA芯片上设有第二信号输入接口和第二控制量输出接口，主控板输出的控制电流通过第二反馈线路发送至第二FPGA芯片，ARM芯片与第二FPGA芯片连接，所述ARM芯片上设有生命信号接收接口和切换使能信号输出接口。

更进一步的，所述第二FPGA芯片中包括信号接收电路、信号传递电路、信号处理电路和控制量计算模块，所述ARM芯片中包括以太网/CAN网通讯模块、生命信号接收模块和切换使能信号输出模块，即由第二FPGA芯片进行信号预处理和计算，由ARM芯片进行以太网/CAN网通讯。

进一步的，第一控制板和第二控制板采用不同的控制形式，极大地避免了当某种激励引起两块控制板同时发生故障的情况，进一步保证了冗余设计的可靠性。

进一步的，所述接收模块为第三FPGA芯片，第三FPGA芯片内配置有二选一切换电路，所述二选一切换电路的数据输入为第一控制量输出接口输出的控制量和第二控制量输出接口输出的控制量，所述二选一切换电路的信号输入为切换使能信号输出接口输出的切换使能信号，所述二选一切换电路的数据输出为第一控制量输出接口输出的控制量或第二控制量输出接口输出的控制量；二选一切换电路采用常规的切换电路即可，常规下的数据输出为第一控制量输出接口输出的控制量，信号输入接收到切换使能信号后，认为第一控制板发生了故障，将数据输出切换为第二控制量输出接口输出的控制量。

更进一步的，所述悬浮控制器还包括砸轨信号采集模块，所述砸轨信号采集模块与第三FPGA芯片连接，向第三FPGA芯片发送砸轨持续周期数据，二选一切换电路的信号输入还包括所述砸轨持续周期数据；除了根据切换使能信号进行切换外，如果砸轨持续周期达到指定值，也认为第一控制板发生了故障，将数据输出切换为第二控制量输出接口输出的控制量。

进一步的，所述驱动模块包括H型斩波电路、支撑电容、充放电电路和IGBT，所述接收模块发送PWM波至驱动模块。

进一步的，所述电源包括DC-330V电源和DC-110V电源，所述DC-330V电源用于为驱动模块供电，所述DC-110V电源经过降压后为第一控制板、第二控制板和接收模块供电。

进一步的，所述悬浮控制器还包括机箱，所述第一控制板、第二控制板、主控板和电源均安装在机箱内。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)使用了第一控制板和第二控制板双备份冗余设计，两个控制板共用一个主控板，只需在一个控制板故障时切换至另一个控制板即可，在保证悬浮控制可靠性的前提下避免了冗余设计导致的大幅增重问题。

(2)第一控制板和第二控制板相互独立，都具有信号接收、处理、传递及控制量计算功能，任一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，两个控制板异构设计，采用不同的控制方式，分别使用DSP芯片和FPGA芯片进行计算量控制，极大避免了某种激励引起第一控制板和第二控制板出现同样故障的情况，进一步提高了悬浮控制器的可靠性。

(3)第一控制板持续向第二控制板发送生命信号以表征自身的正常工作，如果第二控制板接收不到生命信号会立刻投入工作，并向主控板发送切换使能信号，使得主控板切换接收第二控制板输出的控制量，切换速度快，不影响悬浮状态。

(4)除了接收第二控制板的切换使能信号进行切换外，主控板还会接收砸轨信号，如果砸轨持续指定周期则也会切换为第二控制板，进一步保证了悬浮控制器的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

附图标记：1、传感器，2、电磁铁，3、第一控制板，301、第一FPGA芯片，302、DSP芯片，4、第二控制板，401、第二FPGA芯片，402、ARM芯片，5、主控板，501、接收模块，502、驱动模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种控制板异构冗余的悬浮控制器，连接磁浮列车的传感器1和电磁铁2，如图1所示，包括：第一控制板3、第二控制板4、主控板5和电源，电源连接第一控制板3、第二控制板4和主控板5，为第一控制板3、第二控制板4和主控板5供电。

现有技术中为了保证悬浮控制的可靠性，进行冗余双备份悬浮控制箱设计，设计了两个悬浮控制箱，但是这样大大增加了列车整体重量。发明人经过研究发现，悬浮系统的主要故障发生在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。本申请使用了第一控制板3和第二控制板4，两个控制板共用一个主控板5，只需在一个控制板故障时切换至另一个控制板即可，在保证悬浮控制可靠性的前提下避免了冗余设计导致的大幅增重问题。

第一控制板3上设有第一信号输入接口、第一控制量输出接口和生命信号发送接口，第一信号输入接口连接磁浮列车的传感器1，第一控制量输出接口连接主控板5，生命信号发送接口持续输出生命信号，以表明第一控制板3正常工作；

具体的，第一控制板3包括第一FPGA芯片301和DSP芯片302，第一FPGA芯片301上设有第一信号输入接口和第一控制量输出接口，DSP芯片302与第一FPGA芯片301连接，主控板5输出的控制电流通过第一反馈线路发送至DSP芯片302，DSP芯片302上设有生命信号发送接口。

第一FPGA芯片301中包括信号接收电路、信号传递电路和信号处理电路，DSP芯片302中包括控制量计算模块、以太网/CAN网通讯模块和生命信号发送模块，即由第一FPGA芯片301进行信号预处理，由DSP芯片302进行计算和以太网/CAN网通讯。

第二控制板4上设有第二信号输入接口、第二控制量输出接口、生命信号接收接口和切换使能信号输出接口，第二信号输入接口连接磁浮列车的传感器1，第二控制量输出接口和切换使能信号输出接口连接主控板5，生命信号接收接口连接生命信号发送接口，如果第二控制板4上的生命信号接收接口接收不到生命信号，则认为第一控制板3故障，第二控制板4投入工作，由第二控制板4上的切换使能信号输出接口输出切换使能信号至主控板5；

具体的，第二控制板4包括第二FPGA芯片401和ARM芯片402，第二FPGA芯片401上设有第二信号输入接口和第二控制量输出接口，主控板5输出的控制电流通过第二反馈线路发送至第二FPGA芯片401，ARM芯片402与第二FPGA芯片401连接，ARM芯片402上设有生命信号接收接口和切换使能信号输出接口，用于接收第一控制板3发送的生命信号，并在接收不到生命信号时发送切换使能信号至主控板5。

第二FPGA芯片401中包括信号接收电路、信号传递电路、信号处理电路和控制量计算模块，ARM芯片402中包括以太网/CAN网通讯模块、生命信号接收模块和切换使能信号输出模块，即由第二FPGA芯片401进行信号预处理和计算，由ARM芯片402进行以太网/CAN网通讯。

主控板5包括接收模块501和驱动模块502，接收模块501连接第一控制量输出接口、第二控制量输出接口和切换使能信号输出接口，驱动模块502连接电磁铁2和接收模块501，接收模块501根据第一控制板3输出的控制量或第二控制板4输出的控制量生成PWM波发送至驱动模块502，驱动模块502根据PWM波输出控制电流至电磁铁2；

常规情况下接收模块501接收第一控制量输出接口输出的控制量并根据该控制量生成PWM波发送至驱动模块502，在接收到切换使能信号后，接收模块501切换连接，接收第二控制量输出接口输出的控制量，并根据该控制量生成PWM波发送至驱动模块502。

接收模块501为第三FPGA芯片，第三FPGA芯片内配置有二选一切换电路，二选一切换电路的数据输入为第一控制量输出接口输出的控制量和第二控制量输出接口输出的控制量，二选一切换电路的信号输入为切换使能信号输出接口输出的切换使能信号，会根据切换使能信号切换二选一切换电路的数据输出，二选一切换电路的数据输出为第一控制量输出接口输出的控制量或第二控制量输出接口输出的控制量，再根据二选一切换电路的数据输出生成PWM波至驱动模块502。

二选一切换电路采用常规的切换电路即可，常规下的数据输出为第一控制量输出接口输出的控制量，在第三FPGA芯片内根据控制量生成PWM波发送至驱动模块502，二选一切换电路的信号输入接收到切换使能信号后，认为第一控制板3发生了故障，将数据输出切换为第二控制量输出接口输出的控制量，在第三FPGA芯片内根据控制量生成PWM波发送至驱动模块502。

驱动模块502包括H型斩波电路、支撑电容、充放电电路和IGBT，采用现有的驱动电路即可，接收模块501基于控制量生成PWM波并发送PWM波至驱动模块502。

在实车控制时，默认由第一控制板3投入工作，传感器1将4路间隙信号、2路加速度信号通过第一信号输入接口发送给第一FPGA芯片301，第一FPGA芯片301用于信号接收、传递和处理，之后将信号发送给DSP芯片302，DSP芯片302根据传感器1的信号计算用于电磁铁2的电流控制的控制量，并将计算得到的控制量返回第一FPGA芯片301，第一FPGA芯片301通过第一控制量输出接口输出控制量至主控板5，主控板5接收控制量后在内部生成PWM波至驱动模块502，控制驱动模块502中IGBT的通断以输出控制电流作用于电磁铁2上，且IGBT输出的控制电流会实时反馈至DSP芯片302，以便于DSP芯片302以闭环反馈的形式调节控制量。

在第一控制板3投入工作时，DSP芯片302持续发出生命信号，第二控制板4的ARM芯片402接收生命信号，同时，第二FPGA芯片401通过第二信号输入接口接收传感器1的4路间隙信号、2路加速度信号并待命。如果DSP芯片302不输出生命信号即发生故障时，ARM芯片402接收不到生命信号，一方面通过切换使能信号输出接口输出切换使能信号至接收模块501，使得接收模块501进行切换，接收第二控制量输出接口输出的控制量，另一方面第二FPGA芯片401投入工作，对信号接收、传递和处理，并进行控制量的计算，并将计算得到的控制量通过第二控制量输出接口输出至主控板5，主控板5接收控制量后在内部生成PWM波至驱动模块502，控制驱动模块502中IGBT的通断以输出控制电流作用于电磁铁2上，且IGBT输出的控制电流会实时反馈至第二FPGA芯片401，以便于第二FPGA芯片401以闭环反馈的形式调节控制量。

悬浮控制器还包括砸轨信号采集模块，砸轨信号采集模块与第三FPGA芯片连接，向第三FPGA芯片发送砸轨持续周期数据，二选一切换电路的信号输入还包括砸轨持续周期数据；除了根据切换使能信号进行切换外，如果砸轨持续周期达到指定值，也认为第一控制板3发生了故障，将数据输出切换为第二控制量输出接口输出的控制量。即当第一控制板3跑飞(无生命信号输出)或列车砸轨持续指定周期时，切换至第二控制板4投入工作，用于输出控制量，这样进一步保证了悬浮控制的可靠性。

本申请中，第一控制板3包括第一FPGA芯片301和DSP芯片302，第一FPGA芯片301用于信号接收、传递和处理，DSP芯片302用于控制量计算和以太网/CAN通讯，第二控制板4包括第二FPGA芯片401和ARM芯片402，第二FPGA芯片401用于信号接收、传递和处理以及控制量计算，ARM芯片402用于以太网/CAN通讯。若两块控制板采用同构冗余，有可能造成第一控制板3故障后接入第二控制板4也发生相同的故障，第一控制板3和第二控制板4采用不同的控制形式，极大地避免了当某种激励引起两块控制板同时发生故障的情况，进一步保证了冗余设计的可靠性。

电源包括DC-330V电源和DC-110V电源，DC-330V电源用于为驱动模块502供电，DC-110V电源经过降压后为第一控制板3、第二控制板4和接收模块501供电。

此外，悬浮控制器还包括机箱，第一控制板3、第二控制板4、主控板5和电源均安装在机箱内。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。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实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型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)

1.一种控制板异构冗余的悬浮控制器，连接磁浮列车的传感器(1)和电磁铁(2)，其特征在于，包括：第一控制板(3)、第二控制板(4)、主控板(5)和电源；

第一控制板(3)上设有第一信号输入接口、第一控制量输出接口和生命信号发送接口，第一信号输入接口连接磁浮列车的传感器(1)，第一控制量输出接口连接主控板(5)；

第二控制板(4)上设有第二信号输入接口、第二控制量输出接口、生命信号接收接口和切换使能信号输出接口，第二信号输入接口连接磁浮列车的传感器(1)，第二控制量输出接口和切换使能信号输出接口连接主控板(5)，生命信号接收接口连接生命信号发送接口；

主控板(5)包括接收模块(501)和驱动模块(502)，接收模块(501)连接第一控制量输出接口、第二控制量输出接口和切换使能信号输出接口，驱动模块(502)连接电磁铁(2)和接收模块(501)，用于输出控制电流至电磁铁(2)；

电源连接所述第一控制板(3)、第二控制板(4)和主控板(5)，为所述第一控制板(3)、第二控制板(4)和主控板(5)供电。

2.根据权利要求1所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述第一控制板(3)包括第一FPGA芯片(301)和DSP芯片(302)，所述第一FPGA芯片(301)上设有第一信号输入接口和第一控制量输出接口，DSP芯片(302)与第一FPGA芯片(301)连接，主控板(5)输出的控制电流通过第一反馈线路发送至DSP芯片(302)，所述DSP芯片(302)上设有生命信号发送接口。

3.根据权利要求2所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述第一FPGA芯片(301)中包括信号接收电路、信号传递电路和信号处理电路，所述DSP芯片(302)中包括控制量计算模块、以太网/CAN网通讯模块和生命信号发送模块。

4.根据权利要求1所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述第二控制板(4)包括第二FPGA芯片(401)和ARM芯片(402)，所述第二FPGA芯片(401)上设有第二信号输入接口和第二控制量输出接口，主控板(5)输出的控制电流通过第二反馈线路发送至第二FPGA芯片(401)，ARM芯片(402)与第二FPGA芯片(401)连接，所述ARM芯片(402)上设有生命信号接收接口和切换使能信号输出接口。

5.根据权利要求4所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述第二FPGA芯片(401)中包括信号接收电路、信号传递电路、信号处理电路和控制量计算模块，所述ARM芯片(402)中包括以太网/CAN网通讯模块、生命信号接收模块和切换使能信号输出模块。

6.根据权利要求1所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述接收模块(501)为第三FPGA芯片，第三FPGA芯片内配置有二选一切换电路，所述二选一切换电路的数据输入为第一控制量输出接口输出的控制量和第二控制量输出接口输出的控制量，所述二选一切换电路的信号输入为切换使能信号输出接口输出的切换使能信号，所述二选一切换电路的数据输出为第一控制量输出接口输出的控制量或第二控制量输出接口输出的控制量。

7.根据权利要求6所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述悬浮控制器还包括砸轨信号采集模块，所述砸轨信号采集模块与第三FPGA芯片连接，向第三FPGA芯片发送砸轨持续周期数据，二选一切换电路的信号输入还包括所述砸轨持续周期数据。

8.根据权利要求1所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述驱动模块(502)包括H型斩波电路、支撑电容、充放电电路和IGBT，所述接收模块(501)发送PWM波至驱动模块(502)。

9.根据权利要求1所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述电源包括DC-330V电源和DC-110V电源，所述DC-330V电源用于为驱动模块(502)供电，所述DC-110V电源用于为第一控制板(3)、第二控制板(4)和接收模块(501)供电。

10.根据权利要求1所述的一种控制板异构冗余的悬浮控制器，其特征在于，所述悬浮控制器还包括机箱，所述第一控制板(3)、第二控制板(4)、主控板(5)和电源均安装在机箱内。

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