CN108482179A - 基于pwm技术的悬浮列车及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于PWM技术的悬浮列车及其控制系统，涉及悬浮列车领域，它包括轨道和车体，车体底部两侧安装有磁铁，轨道两侧边分别由沿长度方向并列排列成两列的电磁线圈构成，电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，推进线圈位于车厢下方的前端部和后端部，悬浮线圈位于车厢下方的中部，其控制系统采用由STM32系列微控器构成的中央处理器、红外避障传感器模块、线圈控制器模块、悬浮系统和供电系统组成；与现有技术相比，本发明结构简单、成本低，可利用红外避障传感器检测列车车身的实时位置状况，由中央处理器调节处理之后对线圈控制器发射一串PWM信号，可使线圈获得合适的电流进而产生合适的磁场，使列车平衡稳定悬浮在轨道上。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮列车技术领域，尤其是一种基于PWM技术的悬浮列车及其控制系统。
背景技术
目前，磁悬浮列车在国内外已经有了一定的发展，世界上对磁悬浮列车进行过研究的国家主要是德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国。磁悬浮列车是自蒸汽机车问世以来铁路技术最根本的突破，其理论已有很长的历史。
目前磁悬浮列车有多种悬浮技术方案。有常导磁吸式，简称EMS，超导磁斥式，简称EDS； EMS是一种吸力悬浮系统，是结合磁悬浮列车在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互排斥产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁排斥力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用把列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向；EMS是一种吸力悬浮系统，它是采用安装在车辆转向架上的常导电磁铁和地面导向轨上的磁浮与导向铁轨进行磁悬浮和导向控制，这样的悬浮系统均为机械式结构，结构复杂、繁琐，需要复杂的控制系统，列车重量大，能耗高，进而造成成本高。EDS是把磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流，由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向，这样的悬浮列车存在明显的电磁辐射，结构更为复杂，同时在该列车低速下安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮，这样需要的成本就更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低，且可以实时检测列车位置状态、实时调整轨道线圈电流大小使线圈产生最佳磁场，实现对列车智能悬浮及安全控制的基于PWM技术的悬浮列车及其控制系统。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：它包括轨道及可在该轨道上移动的车体，所述车体的底部两侧安装有若干磁铁，所述轨道两侧边分别由沿长度方向并列排列成至少两列的若干电磁线圈构成，所述电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，所述推进线圈位于所述车体每节车厢下方的前端部和后端部，所述悬浮线圈位于所述车体每节车厢下方的中部。
上述技术方案中，更具体的方案还可以是：在所述轨道两外侧设置安全导向轨，该安全导向轨高于轨道；所述车体下部两侧安装轴承滑轮 ，该轴承滑轮安装的高度低于所述安全导向轨的高度。
进一步的：所述车体的底部两侧安装的所述磁铁分别位于各自底部的两列所述电磁线圈的正上方；所述轨道上位于外侧的两列电磁线圈上间隔设置有红外避障传感器，该红外避障传感器装在外侧的所述电磁线圈的沿长度方向的中心线上或中心线以外。
上述技术方案，其控制系统为：
包括：
中央处理器，所述中央处理器由STM32系列微控器构成，该STM32系列微控器具有多路PWM输出通道，STM32内部采用数模转换器将红外避障传感器检测到的模拟信号转换成数字信号，通过信号判断出车体的具体位置，然后向线圈控制器发射PWM信号；
红外避障传感器模块，所述红外避障传感器模块负责实时检测列车车体的位置将信号传输给中央处理器处理，红外避障传感器具有一对红外线发射管与接收管，所述红外线发射管装在轨道的电磁线圈上；
线圈控制器模块，所述线圈控制器模块接收到由所述中央处理器内的数模转换器将红外避障传感器检测到的模拟信号转换成数字信号并作出判断后发射的PWM信号后，对电磁线圈的电流大小进行控制；
悬浮系统，所述悬浮系统由所述电磁线圈构成，该电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，推进线圈负责向列车提供前进的动力，悬浮线圈负责将列车悬浮；
供电系统，所述供电系统由低压电和高压电两部分组成，负责向整个系统供电，向所述中央处理器、红外避障传感器模块、线圈控制器模块提供低压电，向所述悬浮系统提供高压电。
更具体的方案还可以是：所述电磁线圈延长度方向分成四列排列，每两列并列排列构成轨道的一个侧边，所述推进线圈位于车体每节车厢下方的前端部和后端部，所述悬浮线圈位于车体每节车厢下方的中部。
进一步的：所述车体的底部两侧安装的磁铁分别位于各自底部的两列所述电磁线圈的正上方；所述红外发射管间隔装在外侧的所述电磁线圈的沿长度方向的中心线上或中心线以外。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、由于轨道直接由电磁线圈构成，取消了传统的导向铁轨，实现智能悬浮，电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，推进线圈位于车体每节车厢下方的前端部和后端部，列车运行时车厢前端部下方对应电磁线圈与车身相互吸引，车厢后端部下方对应的电磁线圈与车身相互排斥，使列车拥有足够的前进动力；悬浮线圈位于车体每节车厢下方的中部，与车身相互排斥使车身悬浮，随着列车的移动而移动，结构简单，成本低。
2、采用由STM32系列微控器构成的中央处理器、红外避障传感器模块、线圈控制器模块、悬浮系统和供电系统组成的控制系统，可利用红外避障传感器检测列车车身的实时位置状况，由中央处理器调节处理之后对线圈控制器发射一串PWM信号，可使线圈获得合适的电流进而产生合适的磁场，并利用同极排斥的原理使列车平衡稳定悬浮在轨道上。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1左视图。
图3是轨道的俯视图。
图4是控制系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详述：
如图1所示的实施例，包括轨道及可在该轨道上移动的车体1，车体的底部两侧安装有若干磁铁2；如图3所示，轨道有两个侧边，每个侧边由沿长度方向并列排列成两列的若干电磁线圈构成，电磁线圈分为推进线圈3和悬浮线圈4，推进线圈3位于车体每节车厢下方的前端部和后端部，随着列车的移动而移动，列车运行时车厢前端部下方对应电磁线圈与车体底部的磁铁相互吸引，车厢后端部下方对应的电磁线圈与车体底部的磁铁相互排斥，使列车拥有足够的前进动力；悬浮线圈4位于车体每节车厢下方的中部，悬浮线圈与车体底部的磁铁2相互排斥使车体悬浮，随着列车的移动而移动；在轨道两外侧设置安全导向轨5，该安全导向轨高于轨道，车体下部两侧安装轴承滑轮6，该轴承滑轮安装的高度低于安全导向轨5的高度，在转弯时安全导向轨和轴承滑轮起到导向的作用，在断电等突发事件时可以保证车身不脱离轨道，保证列车的安全。如图2所示，车体1的底部两侧安装的磁铁2分别位于各自底部的两列电磁线圈的正上方；轨道上位于外侧的两列电磁线圈上间隔设置有多个红外避障传感器7，该红外避障传感器装在外侧的电磁线圈的沿长度方向的中心线上，用于检测车体是否向左或向右偏离轨道。
如图4所示，本实施例的控制系统是这样的：
它包括：
中央处理器10，中央处理器由STM32系列微控器构成，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计有丰富的外设,具有多路PWM输出通道，同时其带有的紧急制动通道可以在异常情况出现时，保持在一个预订好的安全状态；STM32内部采用数模转换器将红外避障传感器检测到的模拟信号转换成数字信号，通过信号判断出车体的具体位置，然后向线圈控制器发射PWM信号；
红外避障传感器模块11，红外避障传感器模块负责实时检测列车车体的位置将信号传输给中央处理器处理，红外避障传感器具有一对红外线发射管与接收管，红外线发射管装在轨道的电磁线圈上；
线圈控制器模块12，线圈控制器模块接收到由所述中央处理器内的数模转换器将红外避障传感器检测到的模拟信号转换成数字信号并作出判断后发射的PWM信号后，对电磁线圈的电流大小进行控制；
悬浮系统12，所述悬浮系统由所述电磁线圈构成，该电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，推进线圈负责向列车提供前进的动力，悬浮线圈负责将列车悬浮；
供电系统13，供电系统由低压电和高压电两部分组成，负责向整个系统供电，向中央处理器10、红外避障传感器模块11、线圈控制器模块12提供低压电，向悬浮系统提供高压电。
具体控制方法如下：
在整个系统运行过程中，首先由红外避障传感器实时检测列车车身的位置并将检测结果输送到中央处理器进行处理，在轨道的左右两边各有两排电磁线圈，如图3所示，从左往右，依次编号为1排，2排，3排和4排，列车车体底部两侧安装有磁铁，磁铁正好在两排电磁线圈的正上方，当检测到列车稳定前行时，中央处理器输送四个一样的PWM信号给线圈控制器模块，线圈控制器使四排线圈产生的磁力相同使列车稳定悬浮；当红外避障传感器检测到列车车身向左偏时，中央处理器输送四个PWM信号到线圈控制器模块， 1排和3排的相同，2排和4排的也相同，且1排和3排的电流略大于2排和4排的电流，使得电磁线圈产生的磁场左边的大于右边的，在磁力的作用下使车体向右偏移，红外避障传感器继续检测，当检测到车体回到中间位置时，中央处理器又恢复到稳定输出四个相同PWM信号给线圈控制器模块，线圈控制器使列车稳定。同理，当红外避障传感器检测到列车车身向右偏时，中央处理器输送四个PWM信号给线圈控制器模块，2排和4排的相同，1排和3排的也相同，且2排和4排的电流略大于1排和3排的电流，使得轨道线圈产生的磁场右边的大于左边的，在磁力的作用下使车身向左偏移，红外避障传感器继续检测，当检测到车身回到中间位置时处理器又恢复到稳定输出四个相同PWM信号给线圈控制器使列车稳定。
Claims (6)
1.一种基于PWM技术的悬浮列车，包括轨道及可在该轨道上移动的车体，其特征在于：所述车体的底部两侧安装有若干磁铁，所述轨道两侧边分别由沿长度方向并列排列成至少两列的若干电磁线圈构成，所述电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，所述推进线圈位于所述车体每节车厢下方的前端部和后端部，所述悬浮线圈位于所述车体每节车厢下方的中部。
2.根据权利要求1所述的基于PWM技术的悬浮列车，其特征在于：在所述轨道两外侧设置安全导向轨，该安全导向轨高于轨道；所述车体下部两侧安装轴承滑轮 ，该轴承滑轮安装的高度低于所述安全导向轨的高度。
3.根据权利要求1或2所述的基于PWM技术的悬浮列车，其特征在于：所述车体的底部两侧安装的所述磁铁分别位于各自底部的两列所述电磁线圈的正上方；所述轨道上位于外侧的两列电磁线圈上间隔设置有红外避障传感器，该红外避障传感器装在外侧的所述电磁线圈的沿长度方向的中心线上或中心线以外。
4.一种基于PWM技术的悬浮列车的控制系统，其特征在于：包括：
中央处理器，所述中央处理器由STM32系列微控器构成，该STM32系列微控器具有多路PWM输出通道，STM32内部采用数模转换器将红外避障传感器检测到的模拟信号转换成数字信号，通过信号判断出车体的具体位置，然后向线圈控制器发射PWM信号；
红外避障传感器模块，所述红外避障传感器模块负责实时检测列车车体的位置将信号传输给中央处理器处理，红外避障传感器具有一对红外线发射管与接收管，所述红外线发射管装在轨道的电磁线圈上；
线圈控制器模块，所述线圈控制器模块接收到由所述中央处理器内的数模转换器将红外避障传感器检测到的模拟信号转换成数字信号并作出判断后发射的PWM信号后，对电磁线圈的电流大小进行控制；
悬浮系统，所述悬浮系统由所述电磁线圈构成，该电磁线圈分为推进线圈和悬浮线圈，推进线圈负责向列车提供前进的动力，悬浮线圈负责将列车悬浮；
供电系统，所述供电系统由低压电和高压电两部分组成，负责向整个系统供电，向所述中央处理器、红外避障传感器模块、线圈控制器模块提供低压电，向所述悬浮系统提供高压电。
5.根据权利要求4所述的基于PWM技术的悬浮列车的控制系统，其特征在于：所述电磁线圈延长度方向分成四列排列，每两列并列排列构成轨道的一个侧边，所述推进线圈位于车体每节车厢下方的前端部和后端部，所述悬浮线圈位于车体每节车厢下方的中部。
6.根据权利要求5所述的基于PWM技术的悬浮列车的控制系统，其特征在于：所述车体的底部两侧安装的磁铁分别位于各自底部的两列所述电磁线圈的正上方；所述红外发射管间隔装在外侧的所述电磁线圈的沿长度方向的中心线上或中心线以外。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180904 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |