专利名称：数字式悬浮控制器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁浮列车中的数字式悬浮控制器及其控制方法，其可对电磁铁进行安全有效控制，并使之保持悬浮。
背景技术：
磁浮列车是依靠电磁铁的吸引力使列车悬浮在轨道上运行的新型交通工具，具有高速安全无污染噪音小等优点，具有强大的生命力。悬浮控制器就是通过改变施加在电磁铁上的有效电压，保持列车悬浮的电子装置。它是磁浮列车的核心单元，其优劣直接决定了磁浮列车的工作性能。控制器的实现有两种方式模拟控制电路和数字控制电路。
由模拟电路实现的悬浮控制器的电路十分复杂，主要由7个原理图文件组成，它们是电路板辅助电源电路；过轨道接缝的间隙传感器融合电路；加速度计信号处理及切换电路；电流环控制及保护电路；悬浮控制间隙传感器信号处理及反馈电路；PWM波产生与保护输出电路；信号放大与驱动电路。在电路设计完成以后，如果要增加一项功能，都必须再设置一个功能电路来加以实现，而且现有的保护和供电电路也要加以调整，电路板需要重新设计和调试，可见其设计和调试是十分复杂的。此外，利用模拟电路实现非线性算法，需要使用非线性元件，而模拟电路非线性元件的精度是很差的，可选择的余地也很小，因此一般最多只用于实现非常简单的非线性算法。因为非线性是事物的本质，线性只是一些特殊情况，因此复杂的较好的算法基本上都是非线性的，因此模拟控制电路设计复杂，调试困难，很难实现复杂的算法，具有很大的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种数字式的悬浮控制器及其控制方法，其克服了传统的模拟电路式悬浮控制器设计复杂、调试困难、适用范围窄等缺点，同时能够有效地克服干扰对系统的影响，提高了悬浮系统的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种数字式悬浮控制器，用于控制电磁铁，其与车载控制系统相连接以接收悬浮命令，该数字式悬浮控制器包括依次电路连接的悬浮传感器，悬浮控制器本体，悬浮斩波器，其中，所述的悬浮控制器本体包括依次电路连接的信号处理电路、A/D转换器、数字信号处理单元、PWM波输出单元；所述的信号处理电路对传感器的信号进行预处理；所述的A/D转换器将模拟传感器给出的模拟信号转换成信号处理器可以接收到数字信号；所述的数字信号处理单元根据经过预处理和A/D转换器转换之后传感器的信号以及控制指令，进行运算，生成用于控制电磁铁的电流的指令，所述的A/D转换器与数字信号处理单元双向连接，A/D转换器的工作也受信号处理单元的控制；所述的PWM波输出单元将数字信号处理单元输出的控制指令转换成功率电路可以接收到信号。
本发明还同时提供一种数字式悬浮器的控制方法，其包括如下步骤步骤1、系统初始化、完成系统参数的初始配置，包括控制器参数的初始化配置，启动各个部件工作；步骤2、进入控制循环，读取传感器信号，在此是数字量，即经过了A/D转换的结果；步骤3、对传感器信号进行软件预处理，生成可以使用的状态信号，这组状态信号有两个用途，分别被控制器修正机构和控制器本体使用；步骤4、控制器修正机构根据预处理之后的信号对悬浮的效果进行评估，并修正控制器本体的参数；步骤5、利用修改了参数以后的控制器本体对预处理得到的状态信号进行作用，生成控制电压；步骤6、将控制电压转化为控制命令；步骤7、检查悬浮命令，如果是要求继续悬浮，回到步骤2，进行循环，如果是降落命令，转到步骤8；步骤8、将控制器本体按照保证安全的顺序关闭。
本发明的有益效果是在传统的模拟悬浮控制器的基础上，保留原有的传感器单元(间隙传感器、加速度传感器、电涡流互感器)和功率放大单元(悬浮斩波器)，用数字信号处理电路单元代替原来的模拟信号处理电路单元，在DSP中实现并改进了原有的控制算法，使得磁浮列车悬浮性能得到改善，能够有效地克服干扰对系统的影响，提高了悬浮系统的可靠性。
另外，由于数字控制电路的算法用计算机实现，硬件设计简单，调试时只需要改变程序存储器中的内容，不对硬件电路进行调整，显著地缩短了设计周期；利用软件易于实现各种复杂的和非线性的算法，这是模拟电路所无法做到的。而且，数字电路对器件老化、温漂等干扰因素不敏感。
图1是本发明的数字式悬浮控制器的结构示意图。
图2是本发明的数字信号处理单元的工作流程图。
图3是本发明的控制方法的工作流程图。
具体实施例方式
如图1所示本发明的数字式悬浮控制器1与车载控制系统2相连接，用于安全有效地控制电磁铁3，该数字式悬浮控制器1包括依次电路连接的悬浮传感器11，悬浮控制器本体12，悬浮斩波器13。该悬浮控制器1可以接收车载控制系统2的悬浮命令，也可以在本地通过开关来实现悬浮和降落。
所述悬浮传感器11包括用于获取间隙信号的间隙传感器111、用于获取电磁铁运动的加速度的加速度传感器112、以及获取电流信号的电流传感器113。所述间隙传感器111、加速度传感器112安装到电磁铁的端部；所述的电流传感器嵌套于连接悬浮斩波器与电磁铁的导线上；以上各传感器的输出信号传送给悬浮控制器本体12。
所述的悬浮控制器本体12包括依次电路连接的信号处理电路121、A/D转换器122、数字信号处理单元(DSP)123、PWM波输出单元124、光电隔离单元125，以及，辅助电源、显示电路、EPROM、通讯模块、数字量输入/输出模块。所述的信号处理电路121对传感器的信号进行预处理，比如进行电压-电流转换、滤除干扰信号等，使得传感器的信号便于使用；A/D转换器122将模拟传感器给出的模拟信号转换成信号处理器121可以接收到数字信号；数字信号处理单元(DSP)123根据经过预处理和A/D转换器转换之后传感器(包括间隙传感器、加速度传感器、电流传感器)的信号以及控制指令，进行运算，生成用于控制电磁铁的电流的指令；PWM波输出单元124将数字信号处理单元(DSP)123输出的控制指令转换成功率电路可以接收到信号；光电隔离单元将控制用的弱电信号和产生功率的前电信号进行隔离，以保护控制电路。所述的A/D转换器与数字信号处理单元123双向连接，A/D转换器的工作也受信号处理单元的控制。所述的通讯模块及数字量输入/输出模块均与车载控制系统双向连接。所述的辅助电源、显示电路、EEPROM、通讯模块、数字量输入/输出模块均与数字信号处理单元123直接相连。
如图2所示所述的数字信号处理单元123的工作步骤如下首先系统初始化，再进行控制量初始化，然后等侍定时器中断，判断中断次数，如果判断结果为偶次中断，则进行A/D采样，并滤波，返回等侍定时器中断，重复上述步骤，如果判断结果为奇次中断，则运行控制算法，然后返回等待定时器中断，并重复上述步骤。
所述的控制算法，用于自动检测悬浮的效果，并将悬浮效果参量化，也就是可以用一个数来定量地描述悬浮效果，并将这个参量反馈到控制器中，动态地调节控制器中的参数，使得可以实现比较好的整的悬浮效果，其工作流程如图3所示步骤1、系统初始化完成系统参数的初始配置，包括控制器参数的初始化配置。启动各个部件工作。步骤2、进入控制循环，读取传感器信号(在此是数字量，即经过了A/D转换的结果)。步骤3、对传感器信号进行软件预处理，生成可以使用的状态信号。这组状态信号有两个用途，分别被控制器修正机构(图3右部)和控制器本体(图3左部)使用。步骤4、控制器修正机构根据预处理之后的信号对悬浮的效果进行评估，并修正控制器本体的参数。步骤5、利用修改了参数以后的控制器本体对预处理得到的状态信号进行作用，生成控制电压。步骤6、将控制电压转化为控制命令(根据时间进展情况和控制电压的值，将输出开关设置成开或是关)。步骤7、检查悬浮命令，如果是要求继续悬浮，回到步骤2，进行循环，如果是降落命令，转到步骤8。步骤8、将控制器本体按照保证安全的顺序关闭。
权利要求
1.一种数字式悬浮控制器，用于控制电磁铁(3)，其与车载控制系统(2)相连接以接收悬浮命令，该数字式悬浮控制器(1)包括依次电路连接的悬浮传感器(11)，悬浮控制器本体(12)，悬浮斩波器(13)，其特征在于，所述的悬浮控制器本体(12)包括依次电路连接的信号处理电路(121)、A/D转换器(122)、数字信号处理单元(123)、PWM波输出单元(124)；所述的信号处理电路(121)对传感器的信号进行预处理；所述的A/D转换器(122)将模拟传感器给出的模拟信号转换成信号处理器(121)可以接收到数字信号；所述的数字信号处理单元(123)根据经过预处理和A/D转换器转换之后传感器的信号以及控制指令，进行运算，生成用于控制电磁铁的电流的指令，所述的A/D转换器与数字信号处理单元(123)双向连接，A/D转换器的工作也受信号处理单元的控制；所述的PWM波输出单元(124)将数字信号处理单元(123)输出的控制指令转换成功率电路可以接收到信号。
2.根据权利要求1所述的数字式悬浮控制器，其特征在于，所述的悬浮控制器本体(12)还包括一连接于悬浮斩波器(13)及PWM波输出单元(124)之间的光电隔离单元(125)。
3.根据权利要求1所述的数字式悬浮控制器，其特征在于，所述的悬浮控制器本体(12)还包括与数字信号处理单元(123)均直接相连的辅助电源、显示电路、EEPROM、通讯模块、数字量输入/输出模块。
4.根据权利要求1所述的数字式悬浮控制器，其特征在于，所述悬浮传感器(11)包括用于获取间隙信号的间隙传感器(111)、用于获取电磁铁运动的加速度的加速度传感器(112)、以及获取电流信号的电流传感器(113)；所述间隙传感器(111)、加速度传感器(112)安装在电磁铁(3)的端部，所述的电流传感器嵌套于连接悬浮斩波器与电磁铁的导线上。
5.一种数字式悬浮控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1、系统初始化、完成系统参数的初始配置，包括控制器参数的初始化配置，启动各个部件工作；步骤2、进入控制循环，读取传感器信号；步骤3、对传感器信号进行软件预处理，生成可以使用的状态信号，这组状态信号有两个用途，分别被控制器修正机构和控制器本体使用；步骤4、控制器修正机构根据预处理之后的信号对悬浮的效果进行评估，并修正控制器本体的参数；步骤5、利用修改了参数以后的控制器本体对预处理得到的状态信号进行作用，生成控制电压；步骤6、将控制电压转化为控制命令；步骤7、检查悬浮命令，如果是要求继续悬浮，回到步骤2，进行循环，如果是降落命令，转到步骤8；步骤8、将控制器本体按照保证安全的顺序关闭。
6.根据权利要求5所示的数字式悬浮控制器的控制方法，其特征在于，所述的步骤6将控制电压转化为控制命令的方法为根据时间进展情况和控制电压的值，将输出开关设置成开或是关。
7.根据权利要求5所示的数字式悬浮控制器的控制方法，其特征在于，所述的传感器信号为数字量，即经过了A/D转换的结果。
全文摘要
本发明提供一种数字式悬浮控制器及其控制方法，该数字式悬浮控制器用于控制电磁铁(3)，其与车载控制系统(2)相连接以接收悬浮命令，该数字式悬浮控制器(1)包括依次电路连接的悬浮传感器(11)，悬浮控制器本体(12)，悬浮斩波器(13)，其中，所述的悬浮控制器本体(12)包括依次电路连接的信号处理电路(121)、A/D转换器(122)、数字信号处理单元(123)、PWM波输出单元(124)。本发明克服了传统的模拟电路式悬浮控制器设计复杂、调试困难、适用范围窄等缺点，同时能够有效地克服干扰对系统的影响，提高了悬浮系统的可靠性。
文档编号B60L13/04GK1583456SQ20041002463
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月25日 优先权日2004年5月25日
发明者常文森, 吴祥明, 李云钢, 佘龙华, 王宁, 张琨, 陈强, 端木方方 申请人:上海磁浮交通工程技术研究中心, 中国人民解放军国防科学技术大学