一种磁浮列车及用于其的整车集中式悬浮控制系统的制作方法

1.本实用新型主要涉及磁浮列车技术领域，具体地说，涉及一种磁浮列车及用于其的整车集中式悬浮控制系统。


背景技术：

2.磁浮列车控制系统是磁浮列车的重要组成部件。传统的磁浮列车控制系统采用的是分布式悬浮控制系统，一节车由10个或者20个悬浮控制器对10台电磁铁进行控制，一列车由10/20台悬浮控制器构成。单个悬浮控制器内部包括悬浮控制计算机和功率驱动模块两个部分。其中悬浮控制计算机接收外部信息后发出pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)控制信号到功率驱动模块进行输出。不同的悬浮控制器之间相互独立，整车有10/20台悬浮控制计算机。现有分布式悬浮控制系统中独立控制带来的不足是：
3.1)不同悬浮控制计算机之间通过can慢速连接，信息交互少。
4.2)采用了10套悬浮控制计算机，每一套控制计算机都有热备系统，成本高，可靠性低。
5.3)整车状态信息量大，单个悬浮控制器的匀运算能力有限，未能充分利用，不能存储实时悬浮系统数据，不方便实现智能化控制和整车的健康管理和全生命周期监控。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种磁浮列车及用于其的整车集中式悬浮控制系统，能对磁浮列车的运行状态和数据进行实时分析，为磁浮列车的稳定悬浮和健康管理提供有力保障。
7.本实用新型的一种用于磁浮列车的整车集中式悬浮控制系统，包括集中控制器、若干功率驱动模块、若干悬浮模块和若干悬浮传感器，所述集中控制器与所有功率驱动模块组成通讯环网，相邻的所述功率驱动模块之间进行数据双向传递，每个功率驱动模块至少与两个悬浮传感器连接，所述悬浮传感器与功率驱动模块进行交互，每个悬浮模块上至少安装有两个悬浮传感器，所述集中控制器采用多核控制器，其中，悬浮传感器用于采集悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号，并将采集到的信号发送给对应的功率驱动模块，功率驱动模块用于接收所对应的悬浮传感器发送的信号，并执行集中式控制器的指令，集中控制器用于接收磁浮列车整车的状态信息，并发送指令给各个功率驱动模块，以实现整车悬浮性能最优。
8.进一步地，所述集中控制器通过光纤与通讯环网中两个功率驱动模块连接，所述悬浮传感器用于采集悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号，并将采集的信号转换成数字信号通过光纤或网络通讯方式与功率驱动模块进行交互。
9.进一步地，所述集中控制器包括基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元、基于fpga的信号处理单元、网络通信控制单元、光纤传输控制单元和信号调理板，基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元通过网络通信控制单元与磁浮列车的车辆调试端连接，并通过基于
fpga的信号处理单元与光纤传输控制单元连接，光纤传输控制单元分为两个第一端口，两个第一端口分别和相邻的两个功率驱动模块连接；基于fpga的信号处理单元通过信号调理板与外部状态监测传感器连接，所述外部状态监测传感器用于采集磁浮列车整车和整车集中式悬浮控制系统的状态信息。
10.进一步地，所述功率驱动模块包括基于fpga的功率驱动控制单元、信号处理电路、第二内部传感器和光纤通信转换模块，所述基于fpga的功率驱动控制单元分别与光纤通信转换模块、信号处理电路和悬浮传感器连接，所述信号处理电路与第二内部传感器连接，所述第二内部传感器用于采集至少包括功率驱动模块的内部温度、悬浮电流的模拟信号。
11.进一步地，所述信号处理电路包括数字信号处理电路和模拟信号处理电路：所述模拟信号处理电路用于对第二内部传感器采集的模拟信号进行信号的调理和滤波，以模拟电路的方式进行信号的初步处理，并得到数字信号；所述数字信号处理电路用于将所述数字信号转换为较大驱动能力的输出信号输出。
12.进一步地，所述集中控制器至少包括冗余设置的两个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元，每个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元均通过仲裁板与基于fpga的信号处理单元连接。
13.进一步地，所述集中控制器还包括车/地通讯网络模块和数据存储阵列，所述车/地通讯网络模块与网络通讯控制单元连接；所述数据存储阵列分别与基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元和基于fpga的信号处理单元连接，用于存储整车集中式悬浮控制系统的实时运行数据和整车状态信息。
14.进一步地，每个所述功率驱动模块均包括第一数字通讯接口和第二数字通讯接口，每个所述功率驱动模块的第一数字通讯接口包含两个第二端口，其中之一第二端口与相邻的功率驱动模块连接，其中之二第二端口与相邻的功率驱动模块或集中控制器连接，每个所述功率驱动模块的通过第二数字通讯接口与悬浮传感器连接。
15.进一步地，所述集中控制器内设置有第一内部传感器，所述第一内部传感器与信号调理板连接，用于采集至少包括整车集中式悬浮控制系统内部温度的状态信息。
16.另一方面，本实用新型还提供一种磁浮列车，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整车集中式悬浮控制系统。
17.本实用新型的一种用于磁浮列车的整车集中式悬浮控制系统，集中控制器、若干悬浮模块、若干功率驱动模块和若干悬浮传感器，所述集中控制器与所有功率驱动模块组成通讯环网，相邻的所述功率驱动模块之间进行数据双向传递，每个功率驱动模块至少与两个悬浮传感器连接，所述悬浮传感器与功率驱动模块进行交互，每个悬浮模块上至少安装有两个悬浮传感器，所述集中控制器采用多核控制器。相比现有技术，一方面，本实用新型中集中式悬浮控制器采用多核控制器，在实现集中式悬浮控制器的多机热备功能的同时，具备快速通信功能；另一方面，集中式悬浮控制器与若干功率驱动模块连接，具备大数据处理功能，实时对系统的健康状态进行监控，每个功率驱动模块至少与两个悬浮传感器连接，其能够解析集中控制器传输的数据，也能将悬浮传感器采集的悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号数据打包，发送到集中控制器中。故此，本实用新型可对整车的悬浮系统进行实时的控制，能对磁浮列车的运行状态和数据进行实时分析，并实时存储和发送悬浮系统数据，为磁浮列车的稳定悬浮和健康管理提供有力保障。
附图说明
18.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：
19.图1是本实用新型一实施例的用于磁浮列车的整车集中式悬浮控制系统的结构示意图。
20.图2是本实用新型集中控制器的结构框图。
21.图3是本实用新型功率驱动模块的结构框图。
具体实施方式
22.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。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。
23.图1所示是本实用新型一实施例的用于磁浮列车的整车集中式悬浮控制系统的结构示意图。如图1所示，该整车集中式悬浮控制系统包括集中控制器、若干悬浮模块、若干功率驱动模块和若干悬浮传感器，所述集中控制器与所有功率驱动模块组成通讯环网，相邻的功率驱动模块之间进行数据双向传递，每个功率驱动模块至少与两个悬浮传感器连接，该悬浮传感器与功率驱动模块进行交互，每个悬浮模块上至少安装有两个悬浮传感器，集中控制器采用多核控制器，具体地，集中控制器通过光纤与通讯环网中两个功率驱动模块连接，功率驱动模块的数量优选为10个，具体为功率驱动模块1至功率驱动模块10，集中控制器通过光纤与通讯环网中功率驱动模块9和功率驱动模块10连接，10个所述功率驱动模块并行设置，10个上述功率驱动模块利用网络进行环形网络连接，当任何一个位置网络发生故障时，均可通过环形网络断线的冗余模式进行通讯，此时，悬浮模块的数量也为10个，相邻的功率驱动模块之间进行数据双向传递，悬浮传感器负责采集悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号，并将采集到的信号发送给对应的功率驱动模块，功率驱动模块接收所对应的悬浮传感器发送的信号，并执行集中式控制器的指令实现对悬浮模块上悬浮电磁铁的输出控制，集中控制器负责接收磁浮列车整车的状态信息，并通过计算将计算后的悬浮控制量信息发送给各个功率驱动模块，以实现整车悬浮性能最优。上述集中控制器能够接收10路光纤信号(以太网形式)，同时可以发送控制信号到10个不同功率驱动模块，对10路信号接收后，以一定的控制算法进行处理，保证在固定周期内能够控制输出，能够对实时采集的数据和计算的重要过程数据进行保存，能够实时对数据进行监控，具备系统健康管理功能，能够将系统状态进行实时监控，将信息反馈给车辆。
24.同时，如图2所示，集中控制器包括基于多核dsp(digital signal processing，数字信号处理)/cpu(central processing unit，中央处理器)/arm(advanced risc machines，高级精简指令集计算机)的集中控制单元、基于fpga的信号处理单元、网络通信控制单元、数据存储阵列、车/地通讯网络模块、光纤传输控制单元、第一内部传感器和信号调理板，基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元通过网络通信控制单元与整车的车辆调试端连接，并通过基于fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)的信号处理单元与光纤传输控制单元连接，具体地，光纤传输控制单元分为两个第一端口(图2
中显示为第一端口1和第一端口2)，两个第一端口分别和相邻的两个功率驱动模块连接，从而构成通讯环网。基于fpga的信号处理单元通过信号调理板与外部状态监测传感器连接，外部状态监测传感器用于采集磁浮列车整车和整车集中式悬浮控制系统的状态信息(包括但不限于：悬浮电磁铁横向悬浮间隙、电磁铁温度、空簧气压等状态信息)，第一内部传感器与信号调理板连接，用于采集至少包括整车集中式悬浮控制系统内部温度的状态信息，上述外部状态监测传感器和第一内部传感器采集的状态信息经信号调理板后，在基于fpga的信号处理单元中打包数据，并传递给基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元，用于判断磁浮列车整车以及整车集中式悬浮控制系统的运行状态。数据存储阵列分别与基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元和基于fpga的信号处理单元连接，用于存储整车集中式悬浮控制系统的实时运行数据和整车状态信息，当磁浮列车发生故障时，可调取数据存储阵列中的实时数据，便于后续故障分析与统计。数据存储阵列可根据需要存储1个月到6个月的时间，到时间后覆盖之前的数据，存储的数据有利于故障后处理。同时，车/地通讯网络模块与网络通讯控制单元连接，将磁浮列车整车和整车集中式悬浮控制系统的状态信息实时传递给磁浮列车的车辆健康管理和故障诊断系统，通过所述车辆健康管理和故障诊断系统实时监测磁浮列车数据，当磁浮列车出现异常后，及时预警并上报故障，且对磁浮列车的整体运营状态进行评估，当磁浮列车需要维修时，及时上报运营维护单位进行维修。优选地，该车/地通讯网络模块可以为4g/5g或专用车/地无线网络等。
25.本实用新型中集中控制器作为整个系统的控制核心，需要对10个悬浮模块进行控制、悬浮传感器数据接收以及控制器实时诊断等，需具有强大的数据处理能力，快速的计算能力以及一定的冗余性，该集中控制器至少包括冗余设置的两个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元，每个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元依次通过仲裁板与基于fpga的信号处理单元连接，当其中一个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元出现故障时，通过仲裁板快速切换到另外一个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元进行控制，从而实现接替控制，保证集中控制器的安全稳定运行，信号调理板用于信号的滤波和放大。图2所示，即为集中控制器包括冗余设置的两个基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元的情形，分别为基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元1和基于多核dsp/cpu/arm的集中控制单元2。
26.优选地，本实用新型中每个悬浮模块上安装有两个悬浮传感器(参见图1，即悬浮传感器1和悬浮传感器2)，悬浮传感器1和悬浮传感器2分别采集悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号后，在基于fpga的信号处理单元中打包，通过光纤以太网，将数据传输到功率驱动模块之中，该数据量不低于10mbps。需要说明的是，悬浮传感器1和悬浮传感器2分别采集悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号，并将采集的信号转换成数字信号后，并不限于光纤，也可通过网络通讯(包括但不限于串口或以太网等网络通讯方式)方式与功率驱动模块进行交互。通过上述设置，该功率驱动模块能够接收两路悬浮传感器信号(即悬浮模块的悬浮间隙和加速度信号)，最大可达52m bps。且上述功率驱动模块与悬浮传感器采用标准以太网连接，节约光纤，且结构简单，可以实现悬浮传感器与集中控制器之间的双向通信。具体地，整车集中式悬浮控制系统中数据量最大吞吐量达25.6m bps；且以高实时、低延迟的光纤通信协议，减少数据的丢帧，保证悬浮控制系统的稳定运行。
27.同时，作为本实用新型的优选实施例，如图3所示，功率驱动模块包括基于fpga的功率驱动控制单元、信号处理电路、第二内部传感器和光纤通信转换模块，基于fpga的功率
驱动控制单元分别与光纤通信转换模块、信号处理电路和悬浮传感器连接，所述信号处理电路与第二内部传感器连接，所述第二内部传感器用于采集至少包括功率驱动模块的内部温度、悬浮电流的模拟信号，且所述功率驱动模块在集中控制器故障或通信不畅的情况下，基于fpga的功率驱动控制单元能自主采样悬浮传感器和第二传感器数据，并对悬浮模块进行悬浮控制，从而保证在故障情况下整车集中式悬浮控制系统的可靠性，上述第二内部传感器的数量优选为多个。具体地，信号处理电路包括数字信号处理电路和模拟信号处理电路：模拟信号处理电路用于对第二内部传感器采集的模拟信号进行信号的调理和滤波，以模拟电路的方式进行信号的初步处理，并得到数字信号；所述数字信号处理电路用于将所述数字信号转换为较大驱动能力的输出信号输出，具备光耦隔离功能，实现远距离通信、增强驱动能力。优选地，每个功率驱动模块具备但不限于采集5路电流信号、1路电压信号、2路温度信号、接触器信号、快熔信号的功能，且采集频率范围为2～20k hz。
28.9、同时，如图3所示，每个上述功率驱动模块均包括第一数字通讯接口和第二数字通讯接口，每个功率驱动模块的第一数字通讯接口包含两个第二端口(即图3所示的第二端口1和第二端口2)，每个所述功率驱动模块的第一数字通讯接口包含两个第二端口，其中之一第二端口与相邻的功率驱动模块连接，其中之二第二端口与相邻的功率驱动模块或集中控制器连接，以构成通讯环网，每个所述功率驱动模块的通过第二数字通讯接口与悬浮传感器连接。以图1中的实施例为例，功率驱动模块9和功率驱动模块10的一个第二端口均与相邻的功率驱动模块连接，另一第二端口均与集中控制器连接，除此之外的其他功率驱动模块的两个第二端口均与相邻的功率驱动模块连接，以保证构成通讯环网。悬浮传感器采集的悬浮模块的悬浮悬浮间隙和加速度信号转换成数字信号，以协议的形式进行打包，通过第二数字通讯接口发送给功率驱动模块，同时，基于fpga的功率驱动控制单元将信号处理电路发送的数字信号(第二内部传感器采集的模拟信号经转换后的数字信号)以协议的形式进行打包，并通过第一数字通讯接口发出给集中控制器。
29.此外，值得提及的是，本实用新型中功率驱动模块以基于fpga的功率驱动控制单元为核心，fpga中设置有悬浮控制算法，在集中控制器故障或通信不畅的情况下，功率驱动模块能够自主采样悬浮传感器和第二传感器的数据并对悬浮模块进行悬浮控制，从而保证在故障情况下悬浮系统的可靠性。
30.总之，本实用新型中每一个功率驱动模块及对应的多个悬浮传感器控制对应的一个磁浮列车的悬浮模块。功率驱动模块之间通过光纤连接，以加密通信协议进行信息传输，所有信息最终集中于集中式控制器之中。集中式控制器负责收集整车信息，以整车悬浮性能最优为目标进行悬浮控制策略的设计，经计算后，将悬浮控制量信息进行输出给各个功率驱动模块。
31.另一方面，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所述的整车集中式悬浮控制系统。
32.相比现有技术，本实用新型具有如下优点：
33.1)本实用新型集中控制器采用多核控制器，包括多核dsp/cpu/的集中控制单元和基于fpga的信号处理单元，两者之间进行通信连接，在实现集中式悬浮控制器的多机热备功能的同时，具备快速通信功能，集中热备思想能够减少原系统分散热备的设备数量，降低成本，提高可靠性；
34.2)功率驱动模块通过基于fpga的功率驱动控制单元进行控制，基于fpga的功率驱动控制单元将功率驱动模块收集的悬浮传感器数据进行整理，通过光纤发送到集中控制器之中，即本实用新型以fpga为核心，fpga中设置于悬浮控制算法，在集中控制器故障情况下，仍能对悬浮模块进行悬浮控制，增加整车集中式悬浮控制系统的可靠性；
35.3)利用光纤可实现高速、安全、实时的数据传输，能够实时存储和发送整车状态和悬浮系统数据，实现整车的健康管理和全生命周期监控。
36.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。