悬挂式磁悬浮列车的多点协同导向控制系统的制作方法
本发明涉及一种悬挂式磁悬浮列车的多点协同导向控制系统，属于悬挂式磁悬浮列车导向控制技术领域。
背景技术
随着经济的高速发展，面对越来越拥挤的交通压力，磁悬浮列车噪音低、速度快、安全、平稳、节能、环保，因此磁悬浮列车越来越受人们的重视。悬挂式磁悬浮列车相对于普通磁悬浮列车有占地面积小，易于拆解重新安装的特点，同时又比普通的悬挂式列车速度高。而在如此高速的运行中，悬挂式磁悬浮列车的导向控制非常重要，如果列车的导向系统没有及时的将列车从偏移位置更正回来，后果将非常严重。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有的技术缺陷，在悬挂式磁悬浮列车稳定运行悬浮时，通过控制位于悬挂式磁悬浮列车顶两侧的导向电磁铁间歇的产生导向力，使列车能够在不发生明显晃动的情况下使悬挂式磁悬浮列车稳定、快速地减少偏移量并恢复到正常的位置。本发明通过位移偏置传感器测得悬挂式磁悬浮列车的偏移量，与此同时通过相角偏置传感器测得悬挂式磁悬浮列车的直线电机定子的磁极相角，大致推算出列车速度，然后将这两个量传输至主控器，主控器通过协同控制算法得出导向电磁铁的电流大小、导向电磁铁的电流间断性持续时间、负责悬浮的磁铁需额外产生的电流大小以及悬浮电磁铁额外电路的间断性持续时间，将结果传输至各组传感器对应的子控制器，子控制器对执行器进行控制，将偏移的悬挂式磁悬浮列车逐步、稳定的导向回正常位置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
所述悬挂式磁悬浮列车包括轨道单元、悬挂单元、驱动单元、导向单元和轿厢单元，轨道单元通过立柱悬于空中，轿厢单元通过悬挂单元悬挂在轨道单元的垂直下方，驱动单元和导向单元协同作用，驱动轿厢单元在轨道单元中前进；其特征在于，
所述多点协同导向控制系统包括多个子控制器、主控器、传感器组以及执行器，所述执行器包括一对分别位于车顶中线和与之对应导轨处的导向电磁铁，以及用于提供列车悬浮力的悬浮电磁铁；
所述传感器组包括多个位置偏移传感器和多个磁极相角传感器，所述传感器组将检测信息发送到对应的所述子控制器；
多个所述子控制器将所述传感器组的检测信息发送至主控器，主控器根据多个所述子控制器传输的检测信息分别进行处理，并生成相应的控制指令至对应的所述子控制器，所述子控制器将主控器发送过来的控制指令传输到执行器，所述执行器用于执行所述控制指令。
优选地，所述控制指令包括导向电磁铁的电流大小、导向电磁铁的电流间断性持续时间、负责悬浮的磁铁需额外产生的电流大小以及悬浮电磁铁额外电路的间断性持续时间。
优选地，所述导向电磁铁每两个为一组，分别安装在悬挂式磁悬浮列车顶的两侧，所述悬浮电磁铁也是每两个成一组，分别安装在导向电磁铁的下侧。
优选地，所述导向电磁铁是通电产生磁力，通过控制电流大小进而控制磁力大小，悬浮电磁铁通电产生额外电磁力，以抵消列车偏移时在悬浮系统中在其它方向产生的分力。
优选地，所述导向电磁铁通的电流不是连续的，而是间断性持续，每次产生的电流都是实时计算出来。
优选地，所述位移偏置传感器是每两个成一组，对应同一个子控制器，所述位移偏置传感器用于检测导向电磁铁偏移量，磁极相角传感器用来检测悬挂式磁悬浮列车直线电机的磁极相角偏移量。
优选地，主控器输出控制指令的具体过程为
主控器输出控制指令的具体过程为
建立导向系统的双电磁铁差动控制模型
c＝co+d
其中，c为导向间隙值，i为导向电磁铁的电流，uc(t)为控制电压，co为列车正常运行未出现偏移时的间隙，i0为工作点电流，u0为磁导率，m为导向系统质量，a为导向电磁铁极面积，n为匝数，r为电阻，d为磁悬浮列车的位置偏移量；
输入某一时态的各个变量值就能得出下一时态的导向电磁铁的电流和导向间隙值。
本发明具有以下有益效果：
本发明对悬挂式磁悬浮列车的多点协同导向控制，采用协同控制算法，主控器来协同控制每组传感器对应的控制器，通过位移偏置传感器检测的悬挂式磁悬浮列车的偏移量，控制电流的大小进而控制磁力大小，通过控制电流大小的间断性的持续时间来控制磁力的间断性的持续时间，通过矢量控制来控制直线电机的稳定运行，此种控制方法反应快，控制精度高能使列车在保持运行稳定且稳定悬浮的情况下快速地恢复到正常位置，消除偏移。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的列车未发生偏移的示意图；
图3为本发明的列车发生偏移的示意图；
图4为本发明的导向电磁铁安装位置示意图；
图5为本发明的多点协同导向控制的传感器节点的拓扑结构；
图6为本发明的多点协同导向控制的偏移量减少示意图；
图7为本发明的导向力学分析示意图；
图8为本发明的偏移量减少示意图。
图9是本发明的整体结构示意图。
图10是本发明的轨道系统、驱动系统和导向系统的组装关系图。
图11是本发明的倒u形抱轨的下端结构示意图。
图12是本发明的六组式的悬浮转向架的俯视图。
图13是本发明的四组式的悬浮转向架的俯视图。
图14是本发明的六个悬浮点的俯视图。
图15是本发明的四个悬浮点的俯视图。
图16是本发明的倒u形抱轨结构示意图。
附图标记列表：1—悬挂梁，2—天梁，3—轮轨，4—限高导轨，5—通电卡，6—侧部轮轨，7—导磁板，8—导向调整轮，9—悬浮转向架，10—吊杆接扣，11—空气弹簧接扣，12—空气弹簧，13—吊杆，14—底座，15—永磁体，16—中心永磁铁，17—绕组线圈，18—混合悬浮结构，19—承力扣，20—电磁导向结构，21—台柱，22—导向绕组线圈，23—斜凹槽，24—交叉感应回线，25—动子，26—定子，27—抱臂，28—稳定体，29—三角形悬挂构架，30—轿厢吊挂接扣，31—球绞结构，32—横梁，33—悬浮点，34—倒u形抱轨，35—轿厢本体，36—立柱，37—固定螺栓，38—三相交流绕线，39—升降架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图8，本发明实施例提供一种悬挂式磁悬浮走行系统的多点协同导向控制，采用协同控制方法，包括主控器、控制器、执行器和传感器，所述主控器是含有协同控制算法，接收全部传感器传送的信息，输出对应的控制量，协同控制各组控制器，所述控制器为每组传感器中的控制器，主要负责及时响应和传送传感器传来的信息和让相应的执行器执行，所述执行器主要负责对导向系统中的导向电磁铁进行导向和悬浮系统中的悬浮电磁铁进行悬浮，所述传感器主要包括位移偏置传感器和相角偏置传感器。
所述主控器是采用意法半导体公司的stm32f407系列的芯片，该芯片的工作最高主频可以达到168mhz，在168mhz频率下，从flash存储器执行时，stm32f407具有210dmips/566coremark性能，并且利用意法半导体的art加速器实现了flash零等待状态，这些都为快速的实时传输提供了有利条件，提高了此悬挂式磁悬浮列车多点协同导向控制的实时性。stm32f407芯片还具有丰富的连接功能，出色的创新型外设，如具有符合ieee1588v2标准要求的以太网mac10/100接口，能够快速的将经信号处理电路的信息传入并存储，支持主控器对各组控制器进行协同控制。主板电路主要包含了晶振电路、a/d转换电路、复位电路及电源电路。因为磁悬浮导轨产生的巨大磁场对晶振电路有影响而且还要提供168mhz的频率，所以对晶体振荡器的要求较高。
所述子控制器是采用dsp2812，dsp2812是ti公司新推出的功能强大的tms320f2812的32位定点dsp，有150m/s的处理数据的速度，处理数据位数也从16位定点跃升到32位定点。最大的亮点是其拥有eva、evb事件管理器和配套的12位16通道的ad数据采集，使其对电机控制得心应手。再加上丰富的外设接口，如can、sci等，在工控领域占有不少份额。tms320f2812是基于代码兼容的c28x内核的新型高性能32位定点数字信号处理器，其代码与f24x/lf240x系列dsp代码及部分功能相兼容，c28x内核的指令执行周期达到了6.67ns，最高运行频率可以达到150mhz，保证了控制系统有足够的运算能力。此外，f2812集成有许多外设，提供了整套的片上系统，从降低了系统成本，实现更简单、高效的控制。其片上外设主要包括2×8路12位adc(最快80ns转换时间)，2路sci，1路spi，1路mcbsp，1路ecan接口等，并带有两个事件管理模块(eva、evb)，分别包括6路pwm/cmp，2路qep，3路cap，2路16位定时器(或txpwm/txcmp)。另外，该器件还有3个独立的32位cpu定时器，以及多达56个独立编程的gpio引脚。由此可见，f2812在具备数字信号处理器卓越的数据处理能力的同时，又具有适于控制的片内外设及接口，可广泛应用于各种高性能的系统控制中。f2812不同于f24xx系列dsp，它采用统一编址方式。芯片内部有18k的saram，包括mo、m1、l0、l1、h0共5个存储块。各存储块保持独立，可以在同一机器周期对不同的ram块进行访问，从而减少流水线时延。而且f2812内部有128k字的flash，地址空间3d8000h～3f7fffh，适用于低功耗、高性能的控制系统。此外f2812提供了外部存储器扩展接口(xintf)，方便进行系统扩展，其寻址空间可以达到1mb。f2812有多种上电引导方式可供选择，可以通过设置gpiof4、gpiof12、gpiof3、gpiof2的不同状态进行dsp上电时的程序引导控制。因为本发明采用的是协同控制方法，涉及参数较多而悬挂式磁悬浮要求的实时性很高，所以采用此计算能力强，接口也较多，方便将接收到的信息及时迅速地处理，然后对处理的信息进行传输。
控制器内协同控制算法为，输入某一时态的导向间隙，得到下一时态的电流值。设定的c为导向间隙值，i为导向电磁铁的电流，co为列车正常运行未出现偏移时的间隙，i0为工作点电流，u0磁导率，m导向系统质量，a导向电磁铁极面积，n匝数，r为电阻，并选取状态变量
其中，uc(t)为控制电压，
导向电磁铁的两侧电磁铁均有电流，而且两侧电磁铁的连接方式为刚性连接，即左右两侧的电流的大小相等，方向相反，产生的左右两侧的导向力也是大小相等方向相反。导向控制器将根据输出的下一状态的电流值，调节导向电磁铁的电流大小。
所述多点协同主要体现在协同计算和协同通讯方面。如图5所示为本发明的传感器节点的拓扑结构，ci2表示第i节车厢的第二个控制器，c(i+1)1就表示第(i+1)节车厢的第一个控制器，a～f表示向第二个控制器传出数据的传感器的编号，a～f表示向第一个控制器传出数据的传感器的编号。箭头方向表示传输信号的方向。各个传感器传输至对应控制器的数据都将带有独一无二的编号和所测得位置偏移量的值。控制器根据拓扑结构所示，接收各个传感器的值，首先比较位置偏移量的大小，然后分别送入鲁棒控制算法中，将得出的结果按照比较后的结果，以偏移量较大的优先传输出去，到相应的执行器。节点之间的协同通讯体现在节点之间的自主交流，当节点按照图示的拓扑结构进行传输时，如果某一节点值大于另一节点值，将优先传输。如图所示，相邻两节车厢也具有节点间的信号交流，也可将相邻的两控制器的信息进行交流。协同计算和通讯还可体现在各计算节点也就是控制器之间的自主交流,通过加强或改善这种交流,使计算在各节点合理分配,提高计算的整体效率。本发明的多点协同将有助于改善的基础架构,从而系统地提升的整体导向控制的性能。
所述执行器中的导向电磁铁是安装在悬挂式磁悬浮列车车顶两侧的位置，与安装在导轨处的电磁铁产生电磁力，从而产生导向力。当位移偏置感器检测到偏移量d，子控制器中的dsp2812将信息传输给主控器，主控器再对信息进行处理，然后再传输给各组子控制器，子控制器将主控器发送过来的控制命令产生传输到执行器中，执行器中的位于悬挂式磁悬浮列车车顶两侧的导向电磁铁和负责列车稳定悬浮的悬浮电磁铁都会接受到指令，产生激励电流使电磁铁产生磁力相互吸引。如图7中的二维平面上的力学分析所示，fl和fr方分别为左右两侧导向电磁铁产生的电磁力，是与导轨的电磁铁成相互吸引的电磁力，是由导轨处的电磁铁和悬挂式磁悬浮列车的导向磁铁相互产生的，而在悬浮方向上，fh是fx在是垂直方向上的分力，而fs是fx在水平方向上的分力。由于fx和fx’是一对相互排斥的力，所以fx和fx’大小相等，且方向相反。由此可知fs和fs’也是一对大小相等方向相反的力，fh和fh’也是一对大小相等方向相反的力。负责列车稳定悬浮的悬浮电磁铁一直都有一个为了稳定悬浮而产生的电磁力。当导轨处的导向磁铁一旦通电就产生fx，这时相对应的垂直分力fh也就伴随而生，相比之前没发生偏移时的力减小了，为了保证磁悬浮列车能够稳定悬浮，悬浮电磁铁就同时产生一个额外的力，这个额外的力大小等于fx-fh，在此是力的大小也就是数值进行计算，并不是矢量的计算，方向相同应与fh相同，以此保证稳定悬浮。这样fx就只剩水平分力fs，水平上的力就是对悬挂式磁悬浮列车进行导向的导向力，悬挂式磁悬浮列车的导向电磁铁产生的电磁力不一定是直接趋于稳定，而是渐变的，它是将悬挂式磁悬浮列车进行偏移更正。于是悬挂式磁悬浮列车车顶两侧的导向电磁铁就会将列车往偏移量减少的方向移动。由于偏移量本就是非常小的一个量，如果持续通电直至测得偏移量为0，那么很有可能由于惯性又会出现反方向的偏移。于是就产生间断性的电流，逐渐的减小偏移量，也能避免因迅速导向而产生车体晃动。间断性的电流会因实时检测的偏移量的减少而保持的时间减短。每次短暂性的通电，产生一个导向力，只是持续的时间会因为偏移量的大小而改变。导向力与持续时间的乘积等于动量，也就是速度与质量的乘积。这个导向力是横向的，因此对于悬挂式磁悬浮在横向方向的动能分量会减小直至偏移量为零，也就是动量为零，并不会因为导向力而影响悬挂式磁悬浮列车的稳定悬浮及前进的速度。
本发明还提供一种悬挂式磁悬浮走行系统的多点协同导向控制的方法，如图6所示，包括如下步骤：
1)此方法是当悬挂式磁悬浮列车启动时传感器就开始检测，位移偏置传感器和相角偏置传感器从列车启动至停止都一直保持工作状态，当悬挂式磁悬浮列车在运行时出现了位置偏移的状况，位移偏置传感器就能检测出悬挂式磁悬浮列车偏移量d，相角偏置传感器就能检测到直线电机磁极相角；
2)每组位移偏置传感器将检测量传输至对应的子控制器，每组相角偏置传感器也将检测到的磁极相角的值传输至对应的子控制器；
3)所有子控制器将传感器测量的信息再传给主控器，协同控制算法在主控器中将控制命令发送到各个子控制器中，子控制器再发送指令控制执行器，协同控制算法将综合各组位移偏置传感器测得的偏移量和各组相角偏置传感器测得的相角值，进而推算出导向电磁铁的电流大小、导向电磁铁的电流间断性持续时间、负责悬浮的磁铁需额外产生的电流大小以及悬浮电磁铁额外电路的间断性持续时间，主控器对每组传感器对应的子控制器进行协同控制，而主控器中的矢量控制算法则控制直线电机稳定运行；
4)执行器主要包括位于悬挂式磁悬浮列车顶两侧的导向电磁铁与之导轨出的导向电磁铁，及列车导向电磁铁下侧的悬浮电磁铁，执行器接收到了由主控器发送到子控制器的控制指令，开始工作，位于悬挂式磁悬浮列车顶两侧的导向电磁铁和固定在车轨处的导向磁铁将会接通电流，产生导向力进行导向，与此同时，负责维持悬浮的电磁铁也将额外间断性产生电流，保证列车维持稳定悬浮；
5)经过一次短暂的导向力的导向，偏移量将减少，然后重复第一步到第四步，直至位移偏置传感器检测到的偏移量减小到0，实现智能化协同导向。
结合图9至图16，所述悬挂式磁悬浮列车包括轨道单元、悬挂单元、驱动单元、导向单元和轿厢单元，轨道单元通过立柱悬于空中，轿厢单元通过悬挂单元悬挂在轨道单元的垂直下方，驱动单元和导向单元协同作用，驱动轿厢单元在轨道单元中前进。
多点协同导向控制系统包括多个子控制器、主控器、传感器组以及执行器，所述执行器包括一对分别位于车顶中线和与之对应导轨处的导向电磁铁，以及用于提供列车悬浮力的悬浮电磁铁；传感器组包括多个位置偏移传感器和多个磁极相角传感器，传感器组将检测信息发送到对应的子控制器；多个子控制器将传感器组的检测信息发送至主控器，主控器根据多个子控制器传输的检测信息分别进行处理，并生成相应的控制指令至对应的子控制器，子控制器将主控器发送过来的控制指令传输到执行器，执行器用于执行控制指令。
轨道单元包括天梁2和倒u形抱轨34，倒u形抱轨34的开口向下，顶部与天梁2固定，悬挂单元设置在倒u形抱轨34中，包括悬浮转向架9，导向单元设置于悬浮转向架9的左右两侧与倒u形抱轨34对应侧的抱臂27内侧之间，悬浮转向架9靠近左右两侧位置设置有向上伸出的台柱21，台柱21与倒u形抱轨34的抱臂27之间设置有通电卡5，通电卡5为整个系统提供电源支撑。
倒u形抱轨34的顶部左右两侧的拐角处与对应的台柱21外侧拐角之间均设置有交叉感应回线24，每个台柱21的顶部均设置有限高导轨4，倒u形抱轨34的顶部对应位置设置有轮轨3，轮轨3与限高导轨4上下垂直对应配套；倒u形抱轨34的下端朝向内侧弯曲，形成一个平台，该平台上设置有底座14、永磁体15和稳定体28，底座14平铺在平台上，永磁体15平铺在底座14上，稳定体28位于倒u形抱轨34的抱臂27与平台之间的转角处，连接u形抱轨的抱臂27、底座14和永磁体15；悬浮转向架9的底部朝向永磁体15的一侧设置有混合悬浮结构18，混合悬浮结构18包括中心永磁体16，中心永磁体16的左右两侧设置有绕组线圈17；混合悬浮结构18与对应的底座14上的永磁体15形成一个悬浮点33。
驱动单元设置在轨道单元内，包括靠近倒u形抱轨34顶部的电机，悬浮转向架9的顶部设置有升降架39，升降架39的上方设置有斜凹槽23，斜凹槽23的中心凹槽左右两侧对称相向倾斜，电机的长定子26固定在倒u形抱轨34的内侧顶部，电机的动子25永磁板置于斜凹槽23的中心凹槽内。
轿厢单元包括轿厢本体35和设置在轿厢本体35顶部设置有若干根轿厢吊杆13，轿厢吊杆13的顶端和底端均设置有吊杆13接扣10，通过吊杆13衔接悬浮转向架9与轿厢。立柱36的顶部朝向一侧弧形过渡形成形成水平的悬挂梁1，天梁2悬挂在悬挂梁1下方，立柱36的底部与地面接触，且通过固定螺栓37与地面固定。轿厢吊杆13之间设置有若干个空气弹簧12，空气弹簧12从悬浮转向架9的一侧倾斜链接到轿厢本体35的相对侧，悬浮转向架9的中间也设置空气弹簧12接扣11(机顶盒的前后各一个)，连接转向架和轿厢前后(行进方向为前)从轿厢吊杆13的顶端连接到另一个轿厢吊杆13的底端；轿厢本体35的顶部设置有轿厢机顶盒，轿厢机顶盒通过机顶盒控件固定在轿厢本体35的顶部，轿厢机顶盒设置有若干个空气弹簧12，该空气弹簧12沿轿厢本体35前进方向倾斜，且其上端通过空气弹簧12接扣11与悬浮转向架9连接。
导向单元包括导向机械结构和辅助导向结构，导向机械结构设置有轿厢吊挂接扣30，吊杆13接扣10与轿厢吊挂接扣30连接，导向机械结构包括一组或两组三角形悬挂构架29，当为一组三角形悬挂构架29时，三角形悬挂构架29沿轨道延伸方向布置，三角形悬挂构架29的每个顶点均设置有球绞结构31，在三角形悬挂构架29的两端设置有与轨道延伸方向垂直的横梁32，三角形悬挂构架29通过与横梁32的中心或者两侧连接，每个横梁32的两端均位于悬浮点33上方；每个悬浮点通过承力扣19与悬浮转向架9连接。当三角形悬挂构架29有两组时，三角形悬挂构架29的一个短边相对布置，且沿轨道延伸方向布置，三角形悬挂构架29的每个顶点均设置有球绞结构31，在三角形悬挂构架29的两端设置有与轨道延伸方向垂直的水平布置的横梁32，三角形悬挂构架29相对布置的短边公用一个横梁32，三角形悬挂构架29通过与横梁32的中心或者两侧连接，每个横梁32的两端均位于悬浮点33上方；辅助导向结构位于悬浮转向架9的左右两侧与对应的倒u形抱轨34的左右两侧抱臂27内侧之间，包括电磁导向结构20和机械导向结构，电磁导向结构20包括设置在悬浮转向架9两侧的导向绕组线圈22和设置在抱臂27内侧的导磁板7，所述导向绕组线圈22和导磁板7相对设置，机械导向结构包括设置在悬浮转向架9两侧的导向调整轮8和设置在抱臂27内侧的侧部轮轨6，导向调整轮8和侧部轮轨6相对设置，导向调整轮8和侧部轮轨6有两组，分别位于对应的导向绕组线圈22和导磁板7的上下两侧。
为了具体阐述该本发明的具体实施方式，以上零部件及设备存在较为详细地描述，但并不代表本产品的具体化。在上述包括：直线电机感应板、导电线，导向结构的选用，系统控制器及车载设备等均可根据具体营运环境、场合等选取较为合理地具体方案。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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