电磁铁监测装置及磁浮列车的制作方法

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种电磁铁监测装置及磁浮列车。

背景技术：

中速磁浮列车是利用电磁力将列车以给定的间隙无接触地悬浮于轨道上的新型绿色环保交通工具。悬浮控制系统是磁浮列车的关键子系统，也是决定系统可靠性的主要因素之一。与许多控制系统类似,电磁铁故障会导致悬浮控制系统结构参数发生变化，造成列车运行的可靠性大大降低。

由于目前已开通运营的磁浮线路中，随着磁浮列车长期运营，随着线路条件的变化以及车辆各部件性能的降低，会导致磁浮列车上的直线电机、电磁铁等部件振动加大，出现异响，导致磁浮列车辆舒适性降低，严重时会导致悬浮失稳出现剧烈抖动，影响列车运行安全。

现有技术中，一般在悬浮架和悬浮电磁铁以及导向电磁铁上设置加速度传感器和温度传感器实现监控，但是无法对于涡流制动电磁铁的运动状态和工作温度进行监控，列车关键制动部件无法监控，具备一定的安全隐患。

技术实现要素：

本发明提供一种电磁铁监测装置，可解决涡流制动电磁铁的振动加速度和温度不易被监控的问题。

发明的技术解决方案如下：

一种中速磁浮电磁铁监测装置，包括监测装置本体，所述监测装置本体包括底板和核心板；

所述底板上设置有信号输入接口、调理电路、模拟开关以及ad转换电路，所述底板还设置有电源电路和can模块；

传感器用于探测不同量纲并形成模拟信号；

所述信号输入接口用于获取外部传感器的模拟信号，并传送至所述调理电路；

所述调理电路用于对外部的传感器信号进行调理形成标准信号；

模拟开关用于对所述标准信号进行多通道采集；

所述ad转换电路用于对所述标准信号进行模数转换形成数字信号，并传输至核心板；

所述核心板包括处理器、以太网接口、数据存储模块和rs232调试串口，所述核心板通过所述扩展接口与所述底板连接；

所述处理器用于对所述数字信号进行还原并形成对应纲量的数值，并存储到存储模块；

所述can模块或以太网接口用于将所述数值传送至上位机。

优选地，所述底板上还设置有电源电路；所述电源电路包括电源滤波器和降压模块，所述降压模块分别与所述核心板、调理电路、模拟开关、ad转换电路、低压差线性稳压器和升压电路，所述低压差线性稳压器与can模块连接，所述升压电路与所述传感器电连接。

优选地，所述电磁铁监测装置还包括与所述监测装置本体连接的传感器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器和三轴加速度传感器。

优选地，所述电磁铁监测装置还包括连接接口，所述连接接口一端与所述温度传感器、压力传感器和三轴加速度传感器连接，另一端与所述信号输入接口连接。

优选地，所述连接接口包括两个37芯航插和一个55芯航插，所述37芯航插连接所述温度传感器和压力传感器，所述55芯航插连接三轴加速度传感器。

优选地，所述三轴加速度传感器设置在悬浮架的四角，所述温度传感器设置在导向电磁铁、悬浮电磁铁和涡流制动电磁铁上，所述压力传感器设置在风缸上。

本发明还提出一种磁浮列车，包括上述的电磁铁监测装置。

优选地，所述磁浮列车包括第一悬浮架和第二悬浮架以及连接所述第一悬浮架和第二悬浮架的车架，所述第一悬浮架的两侧均设置有悬浮电磁铁和导向电磁铁，所述车架的两侧均设置有悬浮电磁铁和涡流制动电磁铁。

优选地，所述磁浮列车包括四个所述电磁铁监测装置，所述第一悬浮架和第二悬浮架的车架均设置有4个三轴加速度传感器，所述第一悬浮架两侧的悬浮电磁铁上均设置有14个温度传感器，所述第一悬浮架两侧的导向电磁铁上均设置有8个温度传感器，所述车架两侧的悬浮电磁铁上均设置有12个温度传感器，所述涡流制动电磁铁上均设置有6个温度传感器。

本发明设置了包括底板和核心板的电磁铁监测装置，其中底板上设置有信号输入接口、调理电路、模拟开关、ad转换电路、电源电路和can模块；信号输入接口获取外部传感器的模拟信号，并传送至所述调理电路，调理电路对外部的传感器信号进行调理形成标准信号；模拟开关对所述标准信号进行多通道采集；ad转换电路对所述标准信号进行模数转换形成数字信号，并传输至核心板；核心板与所述底板连接，其上的处理器用于对所述数字信号进行还原并形成对应纲量的数值并存储到存储模块；can模块则将所述数值传送至上位机。由此磁浮列车可获取悬浮架的振动加速度、涡流制动电磁铁的振动加速度及电磁铁温度等量纲的具体数值，实现对工作状态的监控分析。

附图说明

图1为电磁铁监测装置一实施例的电路结构示意图；

图2为图1实施例中ad转换电路的电路图；

图3为图1实施例中核心板的电路图；

图4为图1实施例中模拟开关的电路图；

图5为图1实施例中加速度传感器调理电路的电路图；

图6为图1实施例中p4接头的电路图；

图7为图1实施例中温度传感器调理电路的电路图；

图8为图1实施例中压力传感器调理电路的电路图；

图9为图1实施例中p3接头的电路图；

图10为图1实施例中p5接头的电路图；

图11为图1实施例中电源电路的结构示意图；

图12为图1实施例中can模块的电路图；

图13为图1实施例中can接口的电路图；

图14为图1实施例中电源电路的电路图；

图15为电磁铁监测装置另一实施例的结构示意图；

图16为磁浮列车一实施例中电磁铁监测装置的分布示意图。

具体实施方式

本发明提出一种电磁铁监测装置，参照图1至图16，电磁铁监测装置包括一端开口的方形的壳体11，设置在壳体11开口处的盖板12以及设置在开口处和盖板12之间的密封圈，壳体11内底的中间区域设置有两个第一限位凸台11a和两个圆柱孔11b，侧壁设置有两个第二限位凸台11c，所述壳体11的四角及较窄的一对边设置有向内凸出设置有第一固定凸起11d，所述壳体11较宽的一对边向外凸出设置有第二固定凸起11e，壳体11的四角的第一固定凸起11d一侧设置有第三固定凸起11f，第一固定凸起11d与壳体11等高设置，第三固定凸起11f的高度低于第一固定凸起11d形成台阶，所述第一固定凸起11d和第二固定凸起11e上设置有固定孔。

电磁铁监测装置还包括设置在壳体11的侧边上的一个55芯航插12、两个37芯航插13、电源接口14、网络接口16和can接口15。电磁铁监测装置还包括设置在壳体11内的核心板20，以及设置在核心板20上方的底板30。核心板20由第一限位凸台11a和第二限位凸台11c承接，并通过螺钉固定在圆柱孔11b上。底板30设置在核心板20上方，第二固定凸起11e上设置有承接螺钉17，承接螺钉17上端设置有螺孔，底板30由承接螺钉17承接，并固定在承接螺钉17上。盖板12则固定在第一固定凸起11d上。核心板20和底板30与55芯航插12、37芯航插13、电源接口14、网络接口16和can接口15电连接。

在本实施例中，所述底板30上设置有信号输入接口(与55芯航插和37芯航插电连接)、调理电路、模拟开关以及ad转换电路，所述底板30还设置有电源电路(与电源接口连接)和can模块(与can接口连接)。

信号输入接口用于获取传感器的模拟信号，并传送至所述调理电路；所述调理电路用于对外部的传感器信号进行调理形成标准信号；模拟开关用于对所述标准信号进行多通道采集；所述ad转换电路用于对所述标准信号进行模数转换形成数字信号，并传输至核心板20；所述核心板20包括处理器、以太网接口、数据存储模块和rs232调试串口，所述核心板20通过所述扩展接口与所述底板30连接；所述处理器用于对所述数字信号进行还原并形成对应纲量的数值，并存储到存储模块；所述can模块用于将所述数值传送至上位机。

在本实施例中，参照图11和图14，所述底板30上还设置有电源电路，用于滤波、隔离和转换处理；所述电源电路包括电源滤波器和降压模块，所述降压模块分别与所述核心板20、调理电路、模拟开关、ad转换电路、低压差线性稳压器和升压电路连接，所述低压差线性稳压器与can模块连接，所述升压电路与所述传感器电连接。电磁铁监测模块内部必须自带电源转换模块，可将输入的dc110v电压转换为传感器及电磁铁监测模块本身所需的电源。

在本实施例中，参照图3，核心板20最小系统包括arm处理器、fpga、以太网接口、tf卡存储模块和1路rs232调试串口(预留)。

arm处理器采用st公司的stm32f767igt6，cortex-m4内核；最高主频216mhz；具有4路i2c接口，4路usart接口，6路spi接口，2路sai接口，3路can接口15，fmc总线接口等；24路12bitad，2路12bitda；168个高速io口，11个16bit定时器，2个32bit定时器。

fpga采用altera公司cyclone系列的ep4ce15f484(或引脚兼容的其他大容量芯片)，通过硬件逻辑完成如下功能：对ad采集进行时序控制；数据缓存，发送给mcu进行存储。fpga将采集到的数据以100个字节实时通过fmc接口发送给arm。100个字节按照双方规定的协议定义进行数据交互。arm通过fmc接口实时读取来自fpga的100个字节数据，并实时存储在tf卡中。当检测到有上传标志来临时，arm把tf卡中的数据通过以太网接口或者can接口15发送给pc上位机。

stm32f767igt6处理器自带sdio接口，数据存储功能可通过sdio接口与tf卡相连实现来实现。暂定协议为一帧100个字节，以1khz进行采样，48h数据存储量为：48*60*60*1000*100byte≈16.2gb。选用32gb的tf卡进行数据存储，可满足要求。

在本实施例中，ad转换电路选用adi公司的ad7606brsz芯片，8通道同步采样，16bit分辨率，200kps采样率，具有并口、spi总线等数据接口。核心板20的d14-d29针脚与ad7606brsz芯片的db0-db15针脚一一对应连接。核心板20的d6-d11针脚与ad7606brsz芯片的db0-db15针脚一一对应连接。

参照图4，模拟开关优选dg408ledq-ge3芯片，其针脚d分别与ad7606brsz芯片的v1-v8针脚连接。

参照图5和图6，加速度传感器为三轴加速度传感器，针对x/y/z轴的模拟信号都需进行单独调理，每个三轴加速度传感器连接三路调理单路，其调理电路包括一个由运放器构成的电压跟随器，三路调理电路的输出端与dg408ledq-ge3芯片的s4/s5/s6针脚一一对应连接，4个加速度传感器与u5/u6/u7/u8四个模拟开关连接，共12路调理电路，其正相输入端与55芯航插12(p4)连接，反向输入端接地。

参照图7中的温度传感器的调理电路的电路图，上方的ref2940aidbzrg4的in端接5v电源，out端与lm258的正相输入端和反向输入端并联以提供基准源。lm258的输出端与dg408ledq-ge3芯片的s1、s2或s3针脚连接，lm258的正相输入端和反向输入端则与37芯航插13(p3和p5)连接。温度传感器的调理电路主要对温度传感器的输出信号进行放大和跟随处理。

参照图8、图9和图10，压力传感器调理电路包括ad822，即u20a和u20b，其中u20b的正相输入端与37芯航插13p3的2针脚连接，u20b的反相输入端接地，u20b的输出端与u20a的正相输入端连接，u20a的输出端与模拟开关u8的s2针脚连接。此处ad822可对压力传感器的输出信号进行放大和跟随处理。

参照图12和图11，can模块优选td301dcanh3模块，其txd端与核心板20的d2针脚连接，其rxd端与核心板20的e1针脚连接，其canl端与canh端与can接口15连接。

在本实施例中，所述电磁铁监测装置还包括与所述监测装置本体连接的传感器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器和三轴加速度传感器。对外通信接口包括1路以太网接口和1路can接口15，stm32f767igt6通过rgmii方式接以太网控制器实现，以太网控制器采用lan8720a。stm32f767igt6通过一个can的收发模块将lvttl信号转换成can信号与外部进行通信。处理器包括stm32f767igt6芯片，三轴加速度传感器包括model4630传感器，所述数据存储模块包括sdram数据存储器。所述温度传感器包括pt100铂电阻，所述ad转换电路包括ad7606brsz芯片。stm32f767igt6对上述压力值、温度值和加速度值进行监控，当以上数值不在预设范围，则向上位机发送报警信息。

参照图15和图16，在本实施例中，所述三轴加速度传感器设置在悬浮架的四角，所述温度传感器设置在导向电磁铁、悬浮电磁铁和涡流制动电磁铁上，所述压力传感器设置在风缸上，风缸是储存空压机产生的压缩空气的，列车上所有需要压缩空气的地方都要使用风缸的气，设置压力传感器可监控风缸的气压，监测装置本体设置在连接悬浮架的车架上。

具体的，所述磁浮列车包括第一悬浮架1和第二悬浮架2以及连接所述第一悬浮架1和第二悬浮架2的车架3，所述第一悬浮架1的两侧均设置有悬浮电磁铁和导向电磁铁，所述车架3的两侧均设置有悬浮电磁铁和涡流制动电磁铁。加速度传感器安装于第一悬浮架1、第二悬浮架2以及涡流制动电磁铁上。三轴加速度传感器的三轴探测方向与列车的行进方向、在轨道面平与列车垂直的方向以及竖直方向保持一致。每个悬浮架安装4个加速度传感器，每个悬浮架上给每个加速度传感器设置2个φ4的通孔。每个涡流制动电磁铁安装2个加速度传感器。每个加速度传感器设置2个m3的螺纹孔。安装时保证传感器检测面与悬浮架、电磁铁磁极表面的平行度要求。

电磁铁监测模块的本体安装于悬浮架的横梁两侧的转接板上，横梁两侧各有1块转接板，转接板块上设置4个m10螺纹孔与悬浮架连接，电磁铁监测模块通过转接板上的4个m4的通孔与转接板通过紧固件相连。安装时应有足够的空间和强度确保紧固安装螺栓。

本发明设置了包括底板30和核心板20的电磁铁监测装置，其中底板30上设置有信号输入接口、调理电路、模拟开关、ad转换电路、电源电路和can模块；信号输入接口获取外部传感器的模拟信号，并传送至所述调理电路，调理电路对外部的传感器信号进行调理形成标准信号；模拟开关对所述标准信号进行多通道采集；ad转换电路对所述标准信号进行模数转换形成数字信号，并传输至核心板20；核心板20通过拓展接口与所述底板30连接，其上的处理器用于对所述数字信号进行还原并形成对应纲量的数值并存储到存储模块；can模块则将所述数值传送至上位机。由此获取悬浮架的振动加速度、涡流制动电磁铁的振动加速度、电磁铁的温度的数值实现对工作状态的监控分析，掌握磁悬浮列车在不同工况下各关键部件运行状态的变化趋势。电磁铁监测模块内部具备数据的预处理功能，当数据超出设定值时将数据通过列车网络传送给iom模块。

此外，通过对第一悬浮架1和第二悬浮架2的四角设置三轴加速度传感器，获取悬浮架于列车轨道的间隙处的四点的运动参数，可进一步提升测量精准度，此外在涡流制动电磁铁上设置温度传感器和三轴加速度传感器，也可获取涡流制动电磁铁的运动参数和工作温度的数值。在列车制动状态下也可对关键制动部件进行监控，提升列车的安全性能。

在本实施例中，根据电磁铁监测模块的功能及性能要求，电磁铁监测模块需要采集80路温度传感器信号，12路加速度传感器信号和1路压力传感器信号，分4个电磁铁监测模块进行采集，因此，每个电磁铁监测模块可对23路温度传感器，1路压力传感器和4路加速度传感器数据进行采集。在设置多组传感器后，多组传感器对应产生多路模拟信号，对于信号的采集功耗以及处理器的运算能力和功耗有较高要求，模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输入端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在起接通信号或断开信号的作用。本实施例中采用8路模拟开关进行切换采集，同时兼顾功耗及其他考虑，电磁铁监测模块方案原理框图如图1所示。

本发明还提出一种磁浮列车，参照图15和图16，磁浮列车包括上述的电磁铁监测装置。磁浮列车包括四个所述电磁铁监测装置，所述第一悬浮架1和第二悬浮架2的车架3均设置有4个三轴加速度传感器，所述第一悬浮架1两侧的悬浮电磁铁上均设置有14个温度传感器，所述第一悬浮架1两侧的导向电磁铁上均设置有8个温度传感器，所述车架3两侧的悬浮电磁铁上均设置有12个温度传感器，所述涡流制动电磁铁上均设置有6个温度传感器。由此获取悬浮架的振动加速度、涡流制动电磁铁的振动加速度、电磁铁的温度的数值实现对工作状态的监控分析，掌握磁悬浮列车在不同工况下各关键部件运行状态的变化趋势。电磁铁监测模块内部具备数据的预处理功能，当数据超出设定值时将数据通过列车网络传送给iom模块。

在以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。