专利名称：电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法
技术领域：
本发明涉及磁浮列车悬浮控制方法，尤其是一种基于模块的电磁型常导(Electro Magnetic Suspension，简称EMS)型低速磁浮列车悬浮控制方法。
背景技术：
EMS型磁浮列车是一种依靠安装在列车上的电磁铁与轨道之间的吸引力使列车悬浮在轨道上运行的新型交通工具，以其安全、舒适、高速、无污染等优点赢得越来越多的关注。EMS型低速磁浮列车的电磁铁与轨道构成列车的悬浮系统，该系统是一个不稳定系统，必须通过反馈控制，才能实现列车的稳定悬浮。悬浮性能主要取决于悬浮控制方法。悬浮控制方法的关键在于设计一个悬浮控制系统，由悬浮控制系统根据当前悬浮系统的悬浮状态，通过控制电磁铁的电流来控制电磁力的大小，进而保证电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定的间隙值，从而实现磁浮列车的稳定悬浮。
EMS型低速磁浮列车采用模块化转向架结构，如图1所示。每节车有四个转向架，每个转向架由左右两个悬浮模块(以下简称模块)组成，模块间通过防侧滚梁相连。每个模块安装有四个悬浮电磁铁(以下简称电磁铁)，沿列车行进方向将四个电磁铁分为两组，每组包含两个电磁铁，组内的两个电磁铁串联，等效为一个单电磁铁。模块之间基本上实现了机械解耦，具有独立的运动自由度，因此模块是EMS型低速磁浮列车的基本悬浮单元。目前采用的悬浮控制方法是单电磁铁控制方法，技术方案是将模块内部的两个单电磁铁视为两个完全独立的被控对象，分别进行悬浮控制器设计，每个模块需要两个悬浮控制器。如图2所示，模块的A端和模块B端分别安装有悬浮传感器组A和悬浮传感器组B，每组悬浮传感器均包括一个间隙传感器、一个加速度传感器和一个电流传感器。间隙传感器A和间隙传感器B用于测量模块A端和模块B端的悬浮间隙，加速度传感器A和加速度传感器B用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的运动加速度，电流传感器A和电流传感器B分别套在悬浮斩波器A和悬浮斩波器B的输出导线上，用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流。悬浮传感器组A将测量得到的A端的悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流)以模拟信号的形式通过电缆送到悬浮控制器A，悬浮控制器A根据来自悬浮传感器组A的悬浮状态和来自车载监控系统的悬浮/降落命令(L/D)，计算出控制量A，并输出到悬浮斩波器A，控制A端电磁铁的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；悬浮传感器组B将测量得到的B端的悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流)以模拟信号的形式通过电缆送到悬浮控制器B，悬浮控制器B根据来自悬浮传感器组B的悬浮状态和来自车载监控系统的悬浮/降落命令，计算出控制量B，并输出到悬浮斩波器B，控制B端电磁铁的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定。同时悬浮控制器A和悬浮控制器B通过通讯总线将故障状态和悬浮状态实时上传给位于列车驾驶台上的车载监控系统。车载监控系统接收到故障状态和悬浮状态后，在判断出现故障或者紧急情况时采取应急措施。另外，车载监控系统还通过电缆与悬浮控制器A和悬浮控制器B连接，用于向二者发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。
事实上，模块是一个刚体，A端和B端的运动状态会通过力耦合的方式互相影响。单电磁铁控制方法将A端和B端之间的耦合视为悬浮控制系统的外部干扰，只是通过提高控制算法的鲁棒性加以抑制。因此单电磁铁控制方法存在原理上的缺陷，无法真正克服模块内部两点之间的相互影响，而且为了保证悬浮系统的控制性能，控制算法的复杂度和设计难度都比较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于模块的悬浮控制方法，克服目前单电磁铁控制方法无法真正克服模块内部两点之间的相互影响的缺陷，提高悬浮控制的性能，降低控制算法的复杂度。
本发明的技术方案是以整个模块为控制对象设计悬浮控制系统，悬浮控制系统中只包括一套悬浮控制器，悬浮控制器与悬浮斩波器A和悬浮斩波器B都相连，且与悬浮传感器组A和悬浮传感器组B均相连。悬浮控制器根据悬浮传感器组A测量得到的A端悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度、悬浮电流)和悬浮传感器组B测量得到的B端悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度、悬浮电流)，结合来自车载监控系统的悬浮/降落命令，分别计算出A端和B端的控制量，将A端控制量PWM_A以PWM(Pulse-Width Modulation，即脉冲宽度调制)波的形式输出到悬浮斩波器A，控制单电磁铁A的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；将B端的控制量PWM_B也以PWM波的形式输出到悬浮斩波器B，控制单电磁铁B的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定。
悬浮控制器通过CAN总线将故障状态和悬浮状态实时上传给车载监控系统。车载监控系统接收到故障状态和悬浮状态后，在判断出现故障或者紧急情况时采取应急措施。另外，车载监控系统还通过电缆与悬浮控制器连接，用于向悬浮传感器发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。
悬浮控制器由信号处理单元、A/D转换单元、时钟信号发生单元、主控DSP单元、PWM波发生单元以及辅助DSP单元组成。
间隙传感器A和间隙传感器B分别测量A端和B端的悬浮间隙，输出电压型模拟信号；加速度传感器A和加速度传感器B分别测量单电磁铁A和单电磁铁B的竖直方向运动加速度，输出电压型模拟信号；电流传感器A和电流传感器B分别测量单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流，输出电流型模拟信号。上述传感器信号均送到信号处理单元进行处理。
信号处理单元由模拟电路组成，包括两个直流偏置电路、两个隔直电路、两个电流—电压转换电路、4个放大电路、2个积分电路和6个滤波器。信号处理单元接受传感器信号，对间隙传感器A和间隙传感器B输出的间隙信号A和间隙信号B进行直流偏置、放大、滤波处理，输出电压型间隙信号Sd1和Sd2；对加速度传感器A和加速度传感器B输出的加速度信号A和加速度信号B进行隔值、积分、滤波处理，输出电压型速度信号Sv1和Sv2；将电流传感器A和电流传感器B输出的电流信号A和电流信号B转换成电压型信号，并对其进行放大、滤波处理，输出电压型模拟信号Si1和Si2。Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2同时送到A/D转换单元和辅助DSP单元。
A/D转换单元采用同步采样的并行模数转换器，它根据主控DSP单元发出的转换指令，将由信号处理单元传来的三种悬浮传感器的电压型模拟信号即Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2分别转换成数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2。A/D转换单元在接收到主控DSP单元发出的读指令后，将数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2送到主控DSP单元。
时钟信号发生单元采用集成晶振电路，产生一定频率的时钟信号CLK，为主控DSP单元、辅助DSP单元和PWM波发生单元提供时钟。
主控DSP单元采用浮点数字信号处理器设计，内有程序控制器、定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元。程序控制器与定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元均通过内部总线相连，程序控制器设计有悬浮控制程序，定时器根据悬浮控制程序的设置，对时钟信号发生单元产生的时钟信号计数，每T(T为定时器的中断周期)秒产生一个中断信号，并送到程序控制器；寄存器根据悬浮控制程序的配置，保存DSP工作方式和内部状态；数字I/O单元在程序控制器的控制下，向A/D转换单元输出A/D转换指令和A/D转换结果读取指令，接收来自车载监控系统的L/D指令、RESET信号以及来自A/D转换单元的转换完毕状态信号并送到程序控制器；运算单元完成悬浮控制程序中涉及的所有算术/逻辑运算，最终得到模块A端和模块B端的控制量CV1和CV2，并在程序控制器的控制下，将CV1和CV2通过总线送至PWM波发生单元。
悬浮控制程序是基于DSP内部的定时器中断机制运行的，定时器每产生一个中断，悬浮控制程序就计算一次控制量并输出，因此悬浮控制的周期就是定时器的中断周期T。悬浮控制程序分为两个程序段，即主程序和中断服务程序。主程序的工作流程是步骤1、控制系统上电后，程序对主控DSP进行初始化，完成系统参数的初始配置，主要包括设定DSP内部寄存器，设置DSP内部的定时器的工作方式和中断周期T。
步骤2、等待DSP的定时器中断，如果没有发生定时器中断，返回步骤2，否则跳出主程序，进入中断服务程序。
步骤3、中断服务程序执行完毕返回主程序后，转至步骤2。
中断服务程序根据悬浮/降落指令(L/D)和模块A端和模块B端的悬浮状态计算控制量，并将其送给PWM波发生单元。中断服务程序的工作流程是步骤1、进行中断现场保护；步骤2、查询L/D，如果是悬浮命令，则执行步骤3，否则执行步骤8；步骤3、通过修改DSP的外部引脚电平的方式，向A/D转换单元发送控制指令，启动A/D转换；步骤4、查询A/D转换完毕信号，如果转换完毕，则执行步骤5，否则返回步骤4；步骤5、读取A/D转换结果D1、D2、V1、V2、I1、I2，并依据公式(1)将D1、D2变换为A端和B端的悬浮间隙值d1、d2，将V1、V2变换为A端和B端的运动速度值v1、v2，将I1、I2变换为单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流值i1、i2d1=-0.000048828125D1+0.009d2=-0.000048828125D2+0.009v1=0.00006591796975V1v2=0.00006591796875V2i1=0.048828125I1i2=0.048828125I2---(1)]]>步骤6、结合设定悬浮间隙d0、实际的悬浮状态信号，依据公式(2)计算控制量CV1和CV2并输出；u1=2500(d1-d0)-70.7v1u2=2500(d2-d0)-70.7v2CV1=280[(0.78d1+0.22d2)9414600+302770u1+33035u2-i1]+1000CV2=280[(0.78d2+0.22d1)9414600+302770u2+33035u1-i2]+1000---(2)]]>步骤7、中断现场恢复；步骤8、退出中断服务程序，返回主程序。
记第n个控制周期主控DSP单元计算得到的A端和B端的控制量分别为CV1(n)和CV2(n)。显然，CV1(n)除了由A端的悬浮状态决定外，还与B端的悬浮状态相关；CV2(n)除了由B端的悬浮状态决定外，还与A端的悬浮状态相关。这种控制方法可以有效地抑制A端悬浮状态和B端悬浮状态之间的相互影响，使得两端的运动状态彼此互相独立，克服了原有单电磁铁控制方法存在的固有缺陷，能够安全可靠的实现磁浮列车的稳定悬浮，提高磁浮列车悬浮性能。
PWM波发生单元包括两个具有完全相同逻辑结构的PWM波发生器即PWM波发生器A和PWM波发生器B，分别将主控DSP单元输出的控制量CV1和CV2转换成悬浮斩波器可以接受的定周期PWM波信号PWM1和PWM2。
PWM波发生器由低脉冲发生器、高脉冲发生器、D触发器、锁存器和减法计数器组成。以PWM波发生器A为例，悬浮控制器上电或者被复位信号RESET(高电平时复位)复位阶段，D触发器的输出DOUT亦即PWM1为高电平。当主控DSP单元在第n个控制周期将控制量CV1(n)写入PWM波发生器A时，主控DSP单元发出的写入指令WR使能锁存器的锁存功能，将数据总线上的控制量CV1(n)锁存为DATA并输出到减法计数器的数据输入端；同时，WR信号的上升沿启动低脉冲发生器，使其输出一个低脉冲LPUL，并传输给D触发器的时钟端和减法计数器的数据载入端。LPUL一方面使能减法计数器的数据载入功能，令减法计数器将DATA载入作为计数的初始值，另一方面触发D触发器，使DOUT亦即PWM1变为低电平，启动减法计数器开始计数；减法计数器对来自时钟信号发生单元的时钟信号CLK计数，进行减法计算，当减法计数器的计数值减为0后，在下一个时钟信号到来之时，其借位端会产生一个低脉冲OV，启动高脉冲发生器，使其输出一个高脉冲HPUL并传输给D触发器的置位端，HPUL的上升沿将D触发器的输出DOUT亦即PWM1置为高电平，使减法计数器停止计数，直到主控DSP单元在第n+1个控制周期向PWM波发生器A写入控制量CV1(n+1)。因此，PWM波的周期与控制量的写入周期T一致。同理，当主控DSP单元在第n个控制周期将控制量CV2(n)写入PWM波发生器B时，PWM波发生单元B可输出PWM2。
为了保护悬浮控制器，降低电路干扰，在PWM波发生单元和悬浮斩波器之间可以采用光电隔离单元将悬浮控制器用的电源与悬浮斩波器驱动电路用的电源进行隔离。PWM1通过光电隔离单元后成为A端控制量PWM_A，PWM2通过光电隔离单元后成为B端控制量PWM_B。
辅助DSP单元采用具有A/D转换功能和CAN通讯功能的DSP，将来自信号处理单元的传感器信号采集到DSP内部，检测传感器的故障状态和悬浮状态，并将故障状态和悬浮状态通过CAN总线实时上传给车载监控系统。
采用本发明可以达到以下技术效果
1、本发明主控DSP单元按公式(2)计算出的A端的控制量CV1除了由A端的悬浮状态决定外，还与B端的悬浮状态相关；B端的控制量CV2除了由B端的悬浮状态决定外，还与A端的悬浮状态相关。这种控制方法可以有效地抑制A端悬浮状态和B端悬浮状态之间的相互影响，克服了原有单电磁铁控制方法存在的固有缺陷，能够安全可靠的实现磁浮列车的稳定悬浮，提高磁浮列车悬浮性能。
2、本发明采用一个悬浮控制器实现了由两个悬浮控制器才能完成的功能，控制系统采用DSP作为运算单元，悬浮控制程序相对比较简单，控制系统的成本和重量均有所降低，提高了磁悬浮列车的有效载荷。
图1是EMS型低速磁浮列车的模块化转向架结构示意图。
图2是目前通常采用的单电磁铁控制方法中悬浮控制系统结构示意图。
图3是本发明的悬浮控制系统结构示意图。
图4是本发明的悬浮控制器逻辑结构示意图。
图5是本发明的信号处理单元逻辑结构图。
图6是本发明悬浮控制器中主控DSP单元内部逻辑结构图。
图7是本发明主控DSP单元中悬浮控制程序流程图。
图8是本发明悬浮控制程序中的中断服务程序的流程图。
图9是本发明的PWM波发生单元中PWM波发生器A的逻辑结构图。
图10是本发明的PWM波发生器A的工作时序图。
图11是采用单电磁铁悬浮控制方法设计的悬浮控制系统和采用本发明设计的悬浮控制系统的悬浮性能实验曲线比较图。
具体实施例方式
图1是EMS型低速磁浮列车采用的模块化转向架结构示意图。每节车有四个悬浮转向架，每个转向架由左右两个悬浮模块组成，模块间通过防侧滚梁相连。每个模块安装有四个悬浮电磁铁，沿列车行进方向将四个电磁铁分为两组，每组包含两个电磁铁，组内的两个电磁铁串联，等效为一个单电磁铁。
图2是目前通常采用的单电磁铁控制方法中悬浮控制系统结构示意图。悬浮控制系统由悬浮传感器组A、悬浮控制器A、悬浮斩波器A、悬浮传感器组B、悬浮控制器B、悬浮斩波器B和车载监控系统组成。悬浮传感器组A和悬浮传感器组B各包括一个间隙传感器、一个加速度传感器和一个电流传感器。间隙传感器A和间隙传感器B用于测量模块A端和模块B端的悬浮间隙，加速度传感器A和加速度传感器B用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的运动加速度，电流传感器A和电流传感器B分别套在悬浮斩波器A和悬浮斩波器B的输出导线上，用于测量单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流。悬浮传感器组A将测量得到的A端的悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流)以模拟信号的形式通过电缆送到悬浮控制器A，悬浮控制器A根据来自悬浮传感器组A的悬浮状态和来自车载监控系统的悬浮/降落命令，计算出控制量A，并输出到悬浮斩波器A，控制A端电磁铁的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；悬浮传感器组B将测量得到的B端的悬浮状态(悬浮间隙、电磁铁运动加速度和悬浮电流)以模拟信号的形式通过电缆送到悬浮控制器B，悬浮控制器B根据来自悬浮传感器组B的悬浮状态和来自车载监控系统的悬浮/降落命令，计算出控制量B，并输出到悬浮斩波器B，控制B端电磁铁的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定。同时悬浮控制器A和悬浮控制器B通过通讯总线将故障状态和悬浮状态实时上传给位于列车驾驶台上的车载监控系统。车载监控系统接收到故障状态和悬浮状态后，在判断出现故障或者紧急情况时采取应急措施。另外，车载监控系统还通过电缆与悬浮控制器A和悬浮控制器B连接，用于向二者发送悬浮/降落命令(L/D)和复位信号(RESET)。
图3是本发明的悬浮控制系统结构示意图。悬浮传感器的安装和功能与单电磁铁控制方法相同，但悬浮传感器组A和悬浮传感器组B的输出信号均通过电缆送到同一个悬浮控制器。该悬浮控制器结合来自传感器组A和传感器组B的悬浮状态以及来自车载监控系统的悬浮/降落命令计算模块A端的控制量和模块B端的控制量，以PWM波的形式输出PWM_A到悬浮斩波器A，输出PWM_B到悬浮斩波器B，分别控制单电磁铁A和单电磁铁B的电流大小，进而控制A端和B端的电磁力大小，保证模块A端和B端与轨道之间的间隙保持恒定。悬浮控制器通过CAN总线将故障状态和悬浮状态实时上传给位于列车驾驶台上的车载监控系统。车载监控系统接收到故障状态和悬浮状态后，在判断出现故障或者紧急情况时采取应急措施。另外，车载监控系统还通过电缆与悬浮控制器连接，用于向悬浮控制器发送悬浮/降落命令和复位信号。
图4是本发明的悬浮控制器逻辑结构示意图。图5是本发明的信号处理单元结构示意图。悬浮控制器包括信号处理单元、A/D转换单元、时钟信号发生单元、主控DSP单元、PWM波发生单元以及辅助DSP单元。为了保护悬浮控制器，降低电路干扰，在PWM波发生单元和悬浮斩波器之间可以采用光电隔离单元将悬浮控制器用的电源与悬浮斩波器驱动电路用的电源进行隔离。信号处理单元由模拟电路组成，包括两个直流偏置电路、两个隔直电路、两个电流—电压转换电路、4个放大电路、2个积分电路和6个滤波器。信号处理单元接受传感器信号，对间隙传感器A和间隙传感器B输出的间隙信号A和间隙信号B进行直流偏置、放大、滤波处理，输出电压型间隙信号Sd1和Sd2；对加速度传感器A和加速度传感器B输出的加速度信号A和加速度信号B进行隔直、积分、滤波处理，输出电压型速度信号Sv1和Sv2；将电流传感器A和电流传感器B输出的电流信号A和电流信号B转换成电压型信号，并对其进行放大、滤波处理，输出电压型模拟信号Si1和Si2。Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2同时送到A/D转换单元和辅助DSP单元。
A/D转换单元采用同步采样的并行模数转换器。A/D转换单元根据主控DSP单元发出的转换指令，将由信号处理单元传来的三种悬浮传感器的电压型模拟信号即Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2分别转换成数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2。A/D转换单元在接收到主控DSP单元发出的读指令后，将数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2送到主控DSP单元。
时钟信号发生单元采用集成晶振电路，产生一定频率的时钟信号CLK，为主控DSP单元、辅助DSP单元和PWM波发生单元提供时钟。
辅助DSP单元采用具有A/D转换功能和CAN通讯功能的DSP，将来自信号处理单元的传感器信号采集到DSP内部，检测传感器的故障状态和悬浮状态，并将故障状态和悬浮状态通过CAN总线实时上传给车载监控系统。
图6是主控DSP单元的内部逻辑结构图。主控DSP单元采用浮点数字信号处理器，内有程序控制器、定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元。程序控制器与定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元均通过内部总线相连，程序控制器设计有悬浮控制程序，定时器根据悬浮控制程序的设置，对时钟信号发生单元产生的时钟信号计数，每T(T为定时器的中断周期)秒产生一个中断信号，并送到程序控制器；寄存器根据悬浮控制程序的配置，保存DSP工作方式和内部状态；数字I/O单元在悬浮控制器的控制下，向A/D转换单元输出A/D转换指令和A/D转换结果读取指令，接收来自车载监控系统的L/D指令、RESET信号以及来自A/D转换单元的转换完毕状态信号并送到程序控制器；运算单元完成悬浮控制程序中涉及的所有算术/逻辑运算，最终得到模块A端和模块B端的控制量CV1和CV2，并在程序控制器的控制下，将CV1和CV2通过总线输出。
悬浮控制程序是基于DSP内部的定时器中断机制运行的，定时器每产生一个中断，悬浮控制程序就计算一次控制量并输出，因此悬浮控制的周期就是定时器的中断周期T。悬浮控制程序分为两个程序段，即主程序和中断服务程序。图7是主程序的工作流程图步骤1、控制系统上电后，程序对主控DSP进行初始化，完成系统参数的初始配置，主要包括设定DSP内部寄存器，设置DSP内部的定时器的工作方式和中断周期T。
步骤2、等待DSP的定时器中断，如果没有发生定时器中断，返回步骤2，否则跳出主程序，进入中断服务程序。
步骤3、中断服务程序执行完毕返回主程序后，转至步骤2。
图8是中断服务程序的工作流程图。中断服务程序根据悬浮/降落指令(L/D)和模块A端和模块B端的悬浮状态计算控制量，并将其送给PWM波发生单元。中断服务程序的工作流程是步骤1、进行中断现场保护；步骤2、查询L/D，如果是悬浮命令，则执行步骤3，否则执行步骤8；步骤3、通过修改DSP的外部引脚电平的方式，向A/D转换单元发送控制指令，启动A/D转换；步骤4、查询A/D转换完毕信号，如果转换完毕，则执行步骤5，否则返回步骤4；步骤5、读取A/D转换结果D1、D2、V1、V2、I1、I2，并由悬浮控制程序将D1、D2变换为A端和B端的悬浮间隙值d1、d2，将V1、V2变换为A端和B端的运动速度值v1、v2，将I1、I2变换为单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流值i1、i2；步骤6、结合设定悬浮间隙d0、实际的悬浮状态信号，计算控制量CV1和CV2并输出；步骤7、中断现场恢复；步骤8、退出中断服务程序，返回主程序。
PWM波发生单元采用包括两个具有完全相同逻辑结构的PWM波发生器，分别将主控DSP单元输出的控制量CV1和CV2转换成悬浮斩波器可以接受的定周期PWM波信号PWM1和PWM2，并分别输出给悬浮斩波器A和悬浮斩波器B。图9是PWM波发生器A的逻辑结构图，图10是PWM波发生器A的工作时序图。PWM波发生器A由低脉冲发生器、高脉冲发生器、D触发器、锁存器和减法计数器组成。悬浮控制器上电或者被复位信号RESET(高电平时复位)复位阶段，D触发器的输出DOUT亦即PWM1为高电平。当主控DSP单元在第n个控制周期将控制量CV1(n)写入PWM波发生器A时，主控DSP单元发出的写入指令WR使能锁存器的锁存功能，将数据总线上的控制量CV1(n)锁存为DATA并输出到减法计数器的数据输入端；同时，WR信号的上升沿启动低脉冲发生器，使其输出一个低脉冲LPUL，并传输给D触发器的时钟端和减法计数器的数据载入端。LPUL一方面使能减法计数器的数据载入功能，令减法计数器将DATA载入作为计数的初始值，另一方面触发D触发器，使DOUT亦即PWM1变为低电平，启动减法计数器开始计数；减法计数器对来自时钟信号发生单元的时钟信号CLK计数，进行减法计算，当减法计数器的计数值减为0后，在下一个时钟信号到来之时，其借位端会产生一个低脉冲OV，启动高脉冲发生器，使其输出一个高脉冲HPUL并传输给D触发器的置位端，HPUL的上升沿将D触发器的输出DOUT亦即PWM1置为高电平，使减法计数器停止计数，直到主控DSP单元在第n+1个控制周期向PWM波发生器A写入控制量CV1(n+1)。因此，PWM波的周期与控制量的写入周期T一致。
采用本发明，国防科技大学设计了一辆电磁型常导低速磁浮列车工程化样车CMS-03A的悬浮控制系统，采用的间隙传感器的量程为0-0.02米，对应输出电压为0-10伏；加速度传感器量程为-5g-5g(g为重力加速度，取值9.8米/秒2)，对应输出为0-5伏；电流传感器量程0-100安培，对应输出电流为0-0.1安培。主控DSP单元采用32位浮点DSP，辅助DSP单元采用16位定点DSP。截至2006年6月，CMS-03A已经在试验线上安全运行了1000多公里，悬浮控制系统工作安全可靠，性能优良。与采用单电磁铁控制方法的的悬浮控制系统相比，采用本发明设计的悬浮控制系统抗干扰能力更强，列车通过轨道接缝时的振动更小，列车的乘坐舒适性更好。
图11是采用单电磁铁悬浮控制方法设计的悬浮控制系统和采用本发明设计的悬浮控制系统的悬浮性能实验曲线。(a)图是在稳定悬浮状态下，模块A端的悬浮质量突然增加10％时，模块B端的间隙响应曲线。(b)图是在稳定状态下，在模块A端加入2mm的方波干扰时，模块B端的间隙的响应曲线。图中的曲线1是采用本发明设计的悬浮控制系统的间隙响应曲线，曲线2是采用单电磁铁控制方法设计的悬浮控制系统的间隙响应曲线。从图(a)可以看出，在模块A端的悬浮质量变化相同的情况下，采用本发明后B端的间隙变化要远小于采用单电磁铁控制方法B端的间隙变化。从图(b)可以看出，在模块A端的间隙变化相同的情况下，采用本发明后B端的间隙变化要小于采用单电磁铁控制方法B端的间隙变化，并且收敛的速度更快，悬浮更平稳。上述实验结果可以证明采用本发明设计的悬浮控制系统有效地抑制模块A端悬浮状态和B端悬浮状态之间的相互影响，使得两端的运动状态彼此互相独立，克服了单电磁铁控制方法存在的固有缺陷，在抑制悬浮质量变化干扰和间隙变化干扰方面都要明显优于单电磁铁悬浮控制方法。
权利要求
1.一种电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，通过设计一个由悬浮控制器、悬浮传感器组A和悬浮传感器组B、悬浮斩波器A和悬浮斩波器B组成的悬浮控制系统，由悬浮控制系统通过控制电磁铁的电流来控制电磁力的大小，以保证电磁铁与轨道之间的间隙始终保持在设定的间隙值，从而实现磁浮列车的稳定悬浮；其特征在于设计悬浮控制系统时以整个悬浮模块为控制对象，悬浮控制系统只包括一套悬浮控制器，它与悬浮斩波器A和悬浮斩波器B都相连，且与悬浮传感器组A和悬浮传感器组B均相连；悬浮控制器根据悬浮传感器组A测量得到的A端悬浮状态和悬浮传感器组B测量得到的B端悬浮状态，结合来自车载监控系统的悬浮/降落命令，分别计算出A端和B端的控制量，将A端控制量输出到悬浮斩波器A，控制单电磁铁A的电流大小，进而控制A端电磁力的大小，保证模块A端与轨道之间的间隙保持恒定；将B端的控制量输出到悬浮斩波器B，控制单电磁铁B的电流大小，进而控制B端电磁力的大小，保证模块B端与轨道之间的间隙保持恒定；同时悬浮控制器通过CAN总线将故障状态和悬浮状态实时上传给车载监控系统。
2.如权利要求1所述的电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，其特征在于悬浮控制器的设计方法是它由信号处理单元、A/D转换单元、时钟信号发生单元、主控DSP单元、PWM波发生单元以及辅助DSP单元组成2.1信号处理单元由模拟电路组成，包括两个直流偏置电路、两个隔直电路、两个电流-电压转换电路、4个放大电路、2个积分电路和6个滤波器；信号处理单元接受传感器信号，对间隙传感器A和间隙传感器B输出的间隙信号A和间隙信号B进行直流偏置、放大、滤波处理，输出电压型间隙信号Sd1和Sd2；对加速度传感器A和加速度传感器B输出的加速度信号A和加速度信号B进行隔值、积分、滤波处理，输出电压型速度信号Sv1和Sv2；将电流传感器A和电流传感器B输出的电流信号A和电流信号B转换成电压型信号，并对其进行放大、滤波处理，输出电压型模拟信号Si1和Si2；Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2同时送到A/D转换单元和辅助DSP单元；2.2 A/D转换单元采用同步采样的并行模数转换器，它根据主控DSP单元发出的转换指令，将由信号处理单元传来的三种悬浮传感器的电压型模拟信号即Sd1和Sd2、Sv1和Sv2、Si1和Si2分别转换成数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2，A/D转换单元在接收到主控DSP单元发出的读指令后，将数字信号D1、D2、V1、V2、I1、I2送到主控DSP单元；2.3时钟信号发生单元采用集成晶振电路，产生时钟信号CLK，为主控DSP单元、辅助DSP单元和PWM波发生单元提供时钟；2.4主控DSP单元采用浮点数字信号处理器设计，内有程序控制器、定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元；程序控制器与定时器、寄存器、数字I/O单元和运算单元均通过内部总线相连，程序控制器设计有悬浮控制程序，定时器根据悬浮控制程序的设置，对时钟信号发生单元产生的时钟信号计数，每T秒产生一个中断信号并送到程序控制器，T为定时器的中断周期；寄存器根据悬浮控制程序的配置，保存DSP工作方式和内部状态；数字I/O单元在程序控制器的控制下，向A/D转换单元输出A/D转换指令和A/D转换结果读取指令，接收来自车载监控系统的L/D指令、RESET信号以及来自A/D转换单元的转换完毕状态信号并送到程序控制器；运算单元完成悬浮控制程序中涉及的所有算术/逻辑运算，最终得到模块A端和模块B端的控制量CV1和CV2，并在程序控制器的控制下，将CV1和CV2通过总线送至PWM波发生单元。2.5 PWM波发生单元包括两个具有完全相同逻辑结构的PWM波发生器即PWM波发生器A和PWM波发生器B，分别将CV1和CV2转换成悬浮斩波器可以接受的定周期PWM波信号PWM1和PWM2；2.6辅助DSP单元采用具有A/D转换功能和CAN通讯功能的DSP，将来自信号处理单元的传感器信号采集到DSP内部，检测传感器的故障状态和悬浮状态，并将故障状态和悬浮状态通过CAN总线实时上传给车载监控系统。
3.如权利要求1或2所述的电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，其特征在于在PWM波发生单元和悬浮斩波器之间采用光电隔离单元将悬浮控制器用的电源与悬浮斩波器驱动电路用的电源进行隔离，PWM1通过光电隔离单元后成为A端控制量PWM_A，PWM2通过光电隔离单元后成为B端控制量PWM_B。
4.如权利要求1或2所述的电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，其特征在于所述悬浮控制程序是基于DSP内部的定时器中断机制运行的，定时器每产生一个中断，悬浮控制程序就计算一次控制量并输出，悬浮控制程序分为主程序和中断服务程序，主程序的工作流程是步骤1、控制系统上电后，程序对主控DSP进行初始化，完成系统参数的初始配置，主要包括设定DSP内部寄存器，设置DSP内部的定时器的工作方式和中断周期T；步骤2、等待DSP的定时器中断，如果没有发生定时器中断，返回步骤2，否则跳出主程序，进入中断服务程序；步骤3、中断服务程序执行完毕返回主程序后，转至步骤2；中断服务程序的工作流程是步骤1、进行中断现场保护；步骤2、查询L/D，如果是悬浮命令，则执行步骤3，否则执行步骤8；步骤3、通过修改DSP的外部引脚电平的方式，向A/D转换单元发送控制指令，启动A/D转换；步骤4、查询A/D转换完毕信号，如果转换完毕，则执行步骤5，否则返回步骤4；步骤5、读取A/D转换结果D1、D2、V1、V2、I1、I2，并依据公式(1)将D1、D2变换为A端和B端的悬浮间隙值d1、d2，将V1、V2变换为A端和B端的运动速度值v1、v2，将I1、I2变换为单电磁铁A和单电磁铁B的悬浮电流值i1、i2d1=-0.000048828125D1+0.009d2=-0.000048828125D2+0.009v1=0.00006591796875V1v2=0.00006591796875V2i1=0.048828125I1i2=0.048828125I2---(1)]]>步骤6、结合设定悬浮间隙d0、实际的悬浮状态信号，依据公式(2)计算控制量CV1和CV2并输出；记第n个控制周期主控DSP单元计算得到的A端和B端的控制量分别为CV1(n)和CV2(n)；u1=2500(d1-d0)-70.7v1u2=2500(d2-d0)-70.7v2CV1=280[(0.78d1+0.22d2)9414600+302770u1+33035u2-i1]+1000CV2=280[(0.78d2+0.22d1)9414600+302770u2+33035u1-i2]+1000---(2)]]>步骤7、中断现场恢复；步骤8、退出中断服务程序，返回主程序。
5.如权利要求1或2所述的电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，其特征在于PWM波发生器A和PWM波发生器B均由低脉冲发生器、高脉冲发生器、D触发器、锁存器和减法计数器组成；对于PWM波发生器A，悬浮控制器上电或者被复位信号RESET复位阶段，D触发器的输出DOUT亦即PWM1为高电平；当主控DSP单元在第n个控制周期将控制量CV1(n)写入PWM波发生器A时，主控DSP单元发出的写入指令WR使能锁存器的锁存功能，将数据总线上的控制量CV1(n)锁存为DATA并输出到减法计数器的数据输入端；同时，WR信号的上升沿启动低脉冲发生器，使其输出一个低脉冲LPUL，并传输给D触发器的时钟端和减法计数器的数据载入端；LPUL一方面使能减法计数器的数据载入功能，令减法计数器将DATA载入作为计数的初始值，另一方面触发D触发器，使DOUT亦即PWM1变为低电平，启动减法计数器开始计数；减法计数器对来自时钟信号发生单元的时钟信号CLK计数，进行减法计算，当减法计数器的计数值减为0后，在下一个时钟信号到来之时，其借位端会产生一个低脉冲OV，启动高脉冲发生器，使其输出一个高脉冲HPUL并传输给D触发器的置位端，HPUL的上升沿将D触发器的输出DOUT亦即PWM1置为高电平，使减法计数器停止计数，直到主控DSP单元在第n+1个控制周期向PWM波发生器A写入控制量CV1(n+1)；同理，当主控DSP单元在第n个控制周期将控制量CV2(n)写入PWM波发生器B时，PWM波发生单元B可输出PWM2。
全文摘要
本发明公开了一种电磁型常导低速磁浮列车模块悬浮控制方法，目的是克服模块内部两点之间的相互影响，提高悬浮控制的性能。技术方案是设计一个只包括一套悬浮控制器的悬浮控制系统，该悬浮控制器由信号处理单元、A/D转换单元、时钟信号发生单元、主控DSP单元、PWM波发生单元以及辅助DSP单元组成，它根据两个悬浮传感器组分别测得的A端和B端悬浮状态，分别计算出A端和B端的控制量，由A端控制量控制单电磁铁A的电流大小，由B端控制量控制单电磁铁B的电流大小，进而分别控制A端电磁力和B端电磁力的大小，保证模块A端和B端都与轨道之间的间隙保持恒定；采用本发明可有效抑制A端和B端悬浮状态之间的相互影响，实现磁浮列车的稳定悬浮。
文档编号B60L13/04GK1915704SQ20061003213
公开日2007年2月21日 申请日期2006年8月28日 优先权日2006年8月28日
发明者李 杰, 张锟, 刘德生, 王洪坡, 常文森 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学