磁浮列車懸浮狀態數據采集系統設計與實現

楊 帆 李經偉 李益國 畢 濤

1. 湖南磁浮交通發展股份有限公司，長沙，410000 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，430062 3. 廣州精信儀表電器有限公司，廣州，510507

0 引言

中低速磁浮列車運行噪聲小、轉彎半徑小、爬坡能力強，因抱軌運行而沒有傳統輪軌的脫軌風險，安全性高，造價與輕軌相當，是一種具有發展潛力的新型城市軌道交通制式[1]。

磁浮列車的懸浮狀態由懸浮控制系統進行控制，懸浮控制系統安全有效的工作對磁浮列車安全運行、乘客舒適度體驗等至關重要。忽偉[2]指出，磁懸浮列車的額定懸浮高度為8～10 mm時，其控制系統對氣隙的擾動非常敏感，極微小的擾動就會打破列車懸浮平衡。葉晟季[3]指出，磁浮列車與軌道間氣隙越小，吸力越大，必須適時改變電流調整吸引力以維持穩定懸浮。張悅[4]總結了對懸浮控制系統的要求，包括良好的動態響應能力、無穩態誤差、采取設備冗余設計、較好的魯棒性和自適應調整能力、滿足乘坐舒適性要求。懸浮控制系統是整個中低速磁浮列車的關鍵功能單元，其主要設備有懸浮控制器、懸浮傳感器、懸浮電磁鐵以及供電電源等[5],是一個開環不穩定且存在外界干擾的非線性系統[6]。懸浮控制器通過傳感器接收間隙值和加速度值，通過控制芯片計算出控制量，最終由電磁鐵輸出電磁力實現懸浮[7-8]，其各部件的工作狀態影響著整個系統的穩定運行，其中懸浮間隙值、電磁鐵電流值、溫度值、懸浮架振動值是影響懸浮控制系統狀態的重要指標。為更好地研究和評價磁浮車輛懸浮控制系統性能，需要研制一種懸浮狀態數據采集及處理系統。相關研究中，張靚等[9]認為懸浮控制系統的數據采集與處理應解決運動控制與數據采集同步、數據實時顯示、數據處理三個技術問題。關新等[10]、曾學明等[11]利用DSP芯片設計了懸浮控制系統的數據采集與實時處理系統，實現了同步數據采集與處理、快速控制等功能，且DSP芯片有強大的片內外設保證了系統的低成本。本文研制了一種數據采集與處理系統，實現了懸浮控制器及懸浮架關鍵運行數據的采集及其調試、數據校驗、數據分析，可通過此系統提供的數據及分析研究懸浮系統狀態，從而為懸浮系統改進提供依據。

1 系統架構

懸浮控制系統的數據采集系統安裝在懸浮架底部，其運行環境具有接近懸浮系統、戶外運行、環境復雜、有電磁干擾等特點[12]，因此設計需考慮滿足以上運行環境的要求。

根據對測試數據及運行環境的綜合考量，設計了磁浮列車懸浮狀態數據采集系統的整體方案：由數據采集電路板、標準位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、可充電電池及三通接頭構成，如圖1所示。數據采集系統獨立于列車懸浮控制系統，其中標準位移傳感器、加速度傳感器、可充電電池及數據采集電路板組成數據采集器單元，固定在磁浮列車底部懸浮傳感器上，不影響正常安全行車。標準位移傳感器采用激光位移傳感器，用于測量懸浮間隙。數據采集器殼體內部加速度傳感器用于測量懸浮架振動。溫度傳感器及電流傳感器則安裝于電磁鐵表面及電路中，用于測量電磁鐵線圈溫度和工作電流；懸浮間隙等信號則直接利用懸浮控制器中懸浮傳感器中信號。

圖1 系統構成框圖Fig.1 System composition block diagram

磁浮列車懸浮狀態數據采集系統實時采集磁浮列車運行過程中懸浮間隙波動、懸浮架振動、懸浮電磁鐵工作電流、懸浮電磁鐵線圈表面溫度等數據，由標準接口將數據發送到上位計算機進行數據記錄保存。

三通接頭安裝于懸浮控制器與懸浮傳感器之間。使用時將懸浮控制器電纜接入三通接頭，并通過通信電纜將三通接頭與數據采集器相連。數據采集器的輸入電源線與懸浮傳感器24 V直流電源線相并聯，電池或懸浮控制器采用保護電路避免相互影響。懸浮傳感器除3路間隙和2路(或3路)加速度信號輸出給懸浮控制器之外，還有一路總線輸出。總線輸出包含3路間隙和2路(或3路)加速度全部測量信號。數據采集器通過三通接頭獲取懸浮傳感器總線輸出信號[13]，因此對懸浮控制不產生影響。

數據采集器內置可充電電池，在懸浮傳感器24 V直流電源掉電時可讓數據采集器持續工作8 h以上。

數據采集器殼體采用高強度鋁合金制造，以保證列車運行時各部件不會脫落。數據采集器殼體通過兩個M6螺栓旋入傳感器安裝翼上的兩個M6螺紋孔來緊固連接。殼體帶有蓋板，設有密封件，以防水防塵。

2 硬件設計與實現

2.1 傳感器選擇

加速度傳感器選用MEAS4610-005，其主要技術指標如表1所示。

表1 加速度傳感器主要技術指標Tab.1 Main technical indexes of acceleration sensor

電流傳感器選用霍爾開口式電流傳感器，可用于測量直流、交流、脈沖電流，具有精度和線性度高、響應時間短、頻帶寬等優點，開口式結構使得在安裝電流傳感器時無需斷開電磁鐵，其性能指標如表2所示。

表2 電流傳感器主要技術指標Tab.2 Main technical indexes of current sensor

標準位移傳感器選用基于三角式反射原理的激光位移傳感器，其主要技術指標如表3所示。

表3 激光位移傳感器主要技術指標Tab.3 Main technical indexes of laser displacement sensor

設最小軌縫為4 mm，位移傳感器的取樣周期為100 μs，則計算出識別軌縫的最大行車速度為

滿足中低速磁浮列車最高120 km/h的取樣速度要求。

溫度傳感器選用貼片式PT100鉑熱電阻傳感器，以便于粘貼在電磁鐵線圈表面，測量范圍為-50～300 ℃。

2.2 電路設計

數據采集器電路板的作用是采集各傳感器信號，由各傳感器信號調理電路、A/D轉換電路、FPGA控制芯片、RS485接口電路、電源電路等組成，如圖2所示。數據采集器采用24 V直流供電，信號調理電路將各傳感器信號調理成適合A/D芯片輸入的信號，經A/D芯片轉換成數字量傳輸給FPGA芯片，RS485接口電路接收懸浮傳感器加速度信號和間隙信號后傳輸給FPGA芯片，FPGA中嵌入式程序采集各傳感器測量信號以及采集由懸浮傳感器三通接口發送過來的懸浮傳感器數據，并實時將采集到的數據傳輸到上位機[14]。

圖2 電路原理框圖Fig.2 Circuit schematic diagram

數據采集器的電路設計如圖3所示，電源電路包含極性保護、浪涌保護、共模濾波、電壓測量、+24 V轉+15 V、+24 V轉+5 V、+15 V轉-15 V等電路單元。

圖3 電源電路Fig.3 The power supply circuit

信號調理電路輸入各傳感器信號，對傳感器信號進行濾波和電平轉換，再輸出給A/D模數轉換電路。PT100溫度傳感器采用三線制形式，以消除導線帶來的測量誤差，且采用恒流源驅動和儀用放大器放大，提高抗電磁干擾能力。

三通接頭由懸浮傳感器連接器、傳感器電纜連接器、懸浮傳感器總線輸出接口組成，如圖4所示，其作用是在不影響懸浮傳感器正常工作前提下將懸浮傳感器加速度信號(Acc1、Acc2、Acc3)和間隙信號(Gap1、Gap2、Gap3)輸入到數據采集器中。

圖4 三通接頭連接原理圖Fig.4 Tee joint connection schematic diagram

數據采集器采用FPGA可編程邏輯芯片EP1C3T100為控制芯片，電路中還有復位芯片MAX809TEUR，程序存儲芯片EPCS1SI8N，100MHz有源時鐘芯片。A/D芯片選用Maxim公司的MAX1316ECM+，MAX1316ECM+是8通道14位模擬-數字轉換器，支持0～5 V模擬輸入電壓信號，8個通道同時工作可達到2.5×105次/s的轉換速率。

3 軟件設計

FPGA芯片程序主要實現對硬件A/D轉換芯片的控制，包括采樣標準位移傳感器測量的懸浮間隙、加速度傳感器測量的懸浮架振動量、電流傳感器測量的懸浮電磁鐵工作電流、溫度傳感器測量的電磁鐵線圈表面溫度等，同時還通過三通接頭接收懸浮傳感器傳送過來的包含懸浮間隙和加速度信號，實時將以上測量信號的A/D轉換數據和懸浮傳感器數據打包成1個數據幀，并生成CRC16校驗碼，然后按UART協議發送給上位機[15-17]。程序流程框圖見圖5。程序設計使用Altera Quartus Ⅱ可編輯邏輯設計環境。

圖5 程序流程框圖Fig.5 The program process diagram

4 接口調試

(1)地面調試：磁浮列車懸浮狀態數據采集系統不安裝在磁浮列車上，調試系統各個接口，使軟件采集到的數據都是準確無誤的。

(2)車上靜態調試：磁浮列車懸浮狀態數據采集系統安裝在磁浮列車上，當磁浮列車靜浮時，調試系統各個接口，使軟件采集到的數據都是準確無誤的。

(3)車上動態調試：懸浮狀態數據采集與處理系統安裝在磁浮列車上，當磁浮列車在線上運行時，調試系統各個接口，使軟件采集到的數據都是準確無誤的，并利用軟件對采集到的數據進行分析。

5 試驗測試

5.1 懸浮狀態數據采集

將數據采集器固定在磁浮列車底部懸浮傳感器上，電流傳感器及溫度傳感器固定在懸浮電磁鐵上，計算機置于車廂內。連接并固定計算機與數據采集器通信電纜以及數據采集器與各傳感器之間的信號、供電電纜，在非運營時段按照運營規范運行2 h，利用軟件自動采集記錄數據。

5.2 懸浮狀態數據處理

在進行數據分析之前先對數據進行校驗和濾波，以確保采集到的數據準確無誤。

5.2.1數據校驗

數據校驗采用“幀序號+海明碼校驗”的校驗方式。

“有血肉的，不再被洪水滅絕”，猛獸也是有血肉的，也不會被滅絕，當然條件是“凡流人血的，他的血也必被人所流，因為，神造人，是照自己的形象造的”，就是說，猛獸不得傷人。我們雖然時常可以在雨后看到虹，可是世界上不斷有地方在發洪水，盡管沒有諾亞方舟時期的大洪水那樣大。可見，上帝并沒有履行承諾。何況，大洪水是大災難，無論對人類，還是動物、植物，都是災難，是毀滅，是大惡，用大惡如何消滅惡呢？

(1)幀序號。各傳感器的數據、標識符、幀序號組成一幀數據，數據幀以0xAABB作為開始，以0xCCDD作為結尾，各傳感器傳送給計算機的數據都是以無符號16位數據進行傳輸，幀序號也為無符號16位整型數據，從0x0～0xFFFF進行循環累加，如表4所示。在保存數據之前，判斷幀序號是否連續，以確定數據是否丟失。

表4 懸浮狀態數據采集與處理系統數據幀組成Tab.4 The levitation state’s data collection and processing system’s data frame composition

(2)海明碼(Hamming code)校驗。在對懸浮狀態的數據進行采集、傳遞過程中，設備采用良好的屏蔽、接地措施，傳輸電纜采用雙絞屏蔽電纜，并通過差分485信號進行傳輸，在通信過程中并不會出現很多的數據位錯誤，采用海明碼校驗不僅可以有效地發現錯誤的數據幀，還可以有效地將數據從錯誤中恢復過來。

5.2.2數據濾波

懸浮狀態數據采集與處理系統中懸浮傳感器、激光位移傳感器、標準加速度傳感器等自身都帶有濾波功能[18-19]。系統直接采集溫度傳感器PT1000的數據傳遞給計算機，進行濾波前的電磁鐵溫度部分數據如圖6所示。

圖6 采集到的原始的電磁鐵溫度數據曲線Fig.6 Original data curve of electromagnet temperature

計算機需要經過“限幅平均濾波”之后才能對數據進行分析。

(1)限幅。限幅的主要作用是克服因偶然因素引起的脈沖干擾，限幅算法是對每次采集到的新值進行判斷：如果本次值與上次值之差小于等于T(T為一確定溫度值),則本次值有效，如果本次值與上次值之差大于T,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值。根據實際采集的數據分析，每兩個數據之間(即0.2 ms的時間內)的溫度變化不可能超過1 ℃，因此在本次測試過程中T選取1 ℃。對圖6進行限幅計算后的電磁鐵溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 進行限幅計算后的電磁鐵溫度數據曲線Fig.7 Data curve of electromagnet temperature after limiting calculation

(2)遞推平均。遞推平均算法的主要作用是對數據進行平滑處理，該處理過程對周期性干擾有良好的抑制作用。在進行計算時把連續N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采集一個新數據放入隊尾,并丟掉原來隊首的一個數據(先進先出原則)，將隊列中的N個數據進行算術平均運算,就可獲得新的濾波結果。在實際運算中N取2500，即0.5 s。經過遞推平均處理后的電磁鐵溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 進行遞推平均后的電磁鐵溫度數據曲線Fig.8 Data curve of electromagnetic temperature after recursive averaging

5.3 懸浮狀態數據分析

5.3.1頻譜分析

對采集到的標準加速度信號進行快速傅里葉變換(FFT)，計算其時域信號的單邊且已縮放的幅度譜。標準加速度信號的單邊幅度譜如圖9所示。由圖9可以看出，除了直流分量，在頻率為6 Hz左右有微弱的加速度信號。

圖9 標準加速度頻譜圖Fig.9 Standard acceleration spectrum

5.3.2功率譜分析

對采集到的激光位移傳感器數據通過快速基2FFT算法計算實數值序列的快速傅里葉變換并縮放幅度平方得到激光位移傳感器的功率譜，取其單邊功率譜繪制波形，如圖10所示。由圖10可以看出，除了功率譜的直流分量，其他的頻率點沒有明顯的功率信號。

圖10 激光位移傳感器功率譜圖Fig.10 Power spectrum of laser displacement sensor

5.3.3能耗分析

根據功耗(功率)的計算公式P=UI，懸浮電磁鐵的電壓取330 V，只要計算出電磁鐵在各個狀態下的電流值便可得到電磁鐵的功耗。

(1)磁懸浮列車靜浮時功耗。根據真有效值計算公式，當磁浮列車靜浮時電磁鐵的電流真有效值為16.758 A，則靜浮時懸浮功耗為

P=UI=330 V×16.758 A≈5.53 kW

(2)磁懸浮列車運動時功耗。當磁浮列車運動時電磁鐵的電流真有效值為17.088 A，則列車運動時懸浮功耗為

P=UI=330 V×17.088 A≈5.64 kW

5.3.4相關性分析

(1)傳感器輸出數據與外置激光位移傳感器數據相關性分析。由圖11可以看出，懸浮傳感器和激光位移傳感器的輸出基本一致，計算懸浮間隙傳感器的輸出與激光位移傳感器的Spearman秩相關系數為0.996，表明間隙傳感器輸出值和激光位移傳感器輸出值接近完全單調相關。

圖11 傳感器3路間隙(Gap1, Gap2, Gap3)與激光傳感器輸出曲線Fig.11 Levitation sensor’s 3 gaps (Gap1, Gap2, Gap3)and laser sensor’s output curve

(2)傳感器加速度和標準加速度相關性分析。由圖12可以看出，懸浮傳感器加速度信號和標準加速度傳感器的輸出基本一致，計算懸浮間隙傳感器的加速度輸出與標準加速度傳感器的Spearman秩相關系數為0.998，表明間隙傳感器加速度輸出值和標準加速度傳感器輸出接近完全單調相關。

圖12 傳感器加速度和標準加速度曲線Fig.12 Sensor acceleration and standard acceleration curve

(3)懸浮電流與電磁鐵溫度分析。對相同時間內的電流及溫度數據繪制曲線，如圖13、圖14所示。在相同的時間段內，由于車輛運行時有風冷的作用，懸浮電磁鐵的溫度并未出現明顯的變化。

圖13 電磁鐵電流數據曲線Fig.13 Data curve of electromagnet current

圖14 電磁鐵溫度數據曲線Fig.14 Data curve of electromagnet temperature

5.3.5列車速度與位置分析

(1)列車速度計算。低速磁浮列車的軌道由很多的F軌拼接而成，在各節F軌之間存在軌縫，在車輛運行過程中，傳感器經過這些軌縫會產生如圖15所示的信號。

圖15 懸浮傳感器3路間隙(Gap1, Gap2, Gap3)與激光傳感器數據波形圖Fig.15 Levitation sensor’s 3 gaps (Gap1, Gap2, Gap3) and laser sensor’s data waveform curve

傳感器各探頭之間的距離是固定的97.5 mm，數據的采樣頻率是5000 Hz。假設Gap1、Gap2在過接縫時的間隙最大值位于數據中的幀序號分別為a1、a2，則可以得出兩個探頭過接縫的時間差為

列車的速度為

在實際運行過程中，同時對3路間隙傳感器過接縫的時間差進行計算，可計算出速度值，對其進行算術平均運算，就得到計算車速[20-21]。

根據以上計算方法，由測試的數據分析可知，計算結果與車輛儀表顯示數據基本吻合。

(2)列車運動距離計算。根據時間的采樣數據及速度計算得出。相鄰兩個速度值不同時軟件按勻加速或勻減速處理，從而累計相加得到位置里程值。根據速度的計算方式，假如在計算速度為v1、v2、v3時采集到的數據在數據隊列中的數據序號分別為b1、b2、b3，則從b1到b3車輛運動的距離為

車輛運動的距離為各段運動距離的累加，根據以上計算方法，由測試的數據分析可知，計算結果與車輛儀表顯示里程數據基本吻合。

6 結論

本文設計了一套懸浮狀態數據采集系統，能在不影響磁浮列車正常運行的前提下方便地安裝于既有中低速磁浮列車懸浮傳感器和電磁鐵上，該系統能實現對懸浮電流、電磁鐵溫度、懸浮間隙、懸浮架振動加速度和傳感器信號等數據的采集和分析。通過試驗對比驗證了系統硬件和軟件具有較高的可靠性，所提方法和系統能為懸浮控制系統的改進提供依據。