用DSP实现新一代磁浮列车悬浮控制器

    摘 要 用浮点DSP实现磁浮列车数字控制器克服了传统模拟控制器和数字控制器的缺点和局限性。达到了理想的控制效果。

    关键词 磁浮列车 电磁悬浮控制 电磁铁 控制系统 数字信号处理器

    由于磁浮列车是脱离轨道运行的所以控制技术与磁浮技术无疑是磁浮列车的关键所在。对磁浮列车控制的一个最基本要求，是要保证磁浮列车能够在各种扰动（外部和内部）作用下仍然具有平衡稳定的悬浮。从磁浮列车的控制手段来看，可以应用模拟电子电路，亦可以应用数字电子计算机。模拟控制具有运算速度快、实时性好等优点，但由于其存在工作稳定性差、精度低、调整困难以及难于实现复杂的控制规律等许多缺点，所以采用高速、高性能的数字控制成为目前的主要控制方式。

    １ 磁浮列车悬浮控制系统

    磁浮列车实际上是一个受电磁铁和导轨间作用力控制的空间自由体，在空间具有６个自由度。磁浮列车的控制可以分为悬浮控制、导向控制和驱动控制三个方面。对于电磁吸浮式磁浮列车，由于电磁吸力和悬浮气隙之间成非线性反比关系，使得该电磁悬浮系统本身存在固有的不稳定性，因而悬浮控制成为该类型磁浮列车的控制关键。从控制理论上讲，有线性控制理论和非线性控制理论。应用不同的控制理论对磁浮列车悬浮控制系统进行分析和综合都应该得到类似的结果，但不同方法所带来的有效性、直观性和简便性却不尽相同，尤其在实现方式上。

    在实现手段上对于复杂的控制理论来说，用数字实现方式肯定比模拟实现方式方便。而磁浮列车悬浮控制系统本身就是个复杂系统，这自然就对数字控制器提出了较高的要求。磁浮列车模拟控制器电路中的电阻、电容、运算放大器等器件的特性都会随着温度的改变而改变，这就意味着，一个模拟控制器的性能在0℃时和70℃时会大不一样，而数字控制器的电路在其保证的工作范围内受温度变化的影响几乎没有。此外，对于磁浮列车模拟控制器电路来说，还必须考虑到器件以及制造器件的材料的寿命，这将极大地影响整个悬浮控制系统的性能，但对于用数字信号处理器（DSP）来实现数字控制器，它们所带来的影响要小得多。而且，DSP电路还可以通过编程来检测和补偿模拟系统的变化。

    ２ 数字信号处理器简介

    随着应用的日益广泛，DSP（Digital signal processor）已经成为许多高级设计不可缺少的组成部分。高速数据传输能力是DSP用作高速实时处理的关键性能之一。

    本系统采用的是得克萨斯仪器公司（TI）的第三代数字信号处理器TMS320C3X系列的C31芯片。它是32位浮点运算DSP，其内部总线结构和特殊的数字信号处理指令集保证了它的速度很高，灵活性也很好，每秒可以执行3300万次浮点运算。它可以在60ns的单指令周期内并行完成定点或浮点的乘法和ALU运算。该处理器设置了一个通用寄存器堆、高速程序缓存器（Cache）、专用辅助寄存器算术单元（ARAU）、片内双口存储器、一个支持并行I／O的DMA通道等。其高度的并行性、高精度及通用性使得该系统既有很好的性能，又便于使用。

    传统的数字控制器大多采用较高档的单片机来实现，这种数字控制器的主要缺点是它的控制效果受到采样频率的限制。当控制器算法比较复杂、运算量较大时，采样频率就不可能很高。由于磁浮列车高速运行时， 需要传感器在采样数据时有很好的实时性，而传统的数字控制器在进行浮点处理时，速度很慢，势必影响控制效果。但用DSP来实现，这一问题就不难解决。

    ３ 基于DSP的悬浮控制器的设计

    在这里作者仅就用DSP实现单磁铁悬浮控制器的情况进行分析。对整车进行分散控制时，单磁铁悬浮系统的分析和综合是磁浮列车系统分析和控制的基础。

    电磁铁的可控量为其线圈的端电压（或者电流），通过改变线圈电流，改变气隙磁密，可改变电磁吸力的大小。在开环情况下，系统是不稳定的，只有对电磁铁的气隙进行反馈控制，才能保持气隙恒定。控制框图如图１所示。控制原理为：首先通过传感器实时检测电磁铁的气隙变化状态，并与存储在EPROM内的参考值进行比较；然后通过控制器进行运算处理，得到综合控制量，此信号即是调节电磁铁状态的控制信号，调节电磁铁电流，可以保证电磁铁始终处于一个动态的稳定状态。

    由于有了DSP高速数据处理能力的保障，外部的A／D和D／A芯片可选用转换速度较快的AD1674和MAX7547，其精度均为12位。在一般的数字控制器中，图１的采样保持和滤波电路要用独立的电路来实现，这势必增加了电路的复杂性，同时也增加了不必要的外界干扰；而用DSP来作控制器，使这些部分可不必用独立的电路实现，只要通过软件编程就可以实现，这样既方便操作，又使调试容易，不必破坏原来的硬件电路。整个硬件电路设计的框图如图２所示。

    为了节省CPU的时间，A／D转换采用中断查询的方式。TMS320C31的中断包括四个外部中断、串行口中断、定时器中断和DMA中断等。其中四个外部中断采用电平触发中断方式，而不支持下降沿触发中断方式。在实际DSP应用中往往需要下降沿触发中断，如外部提供一个2.4kb/s的定时时钟， 要求每个下降沿触发一次中断。在这种情况下需要将下降沿转化为一个低电平窄脉冲，并且保证这个窄脉冲能够触发并且只触发一次外部中断。

    TMS320C31在H1时钟的下降沿检测中断引脚，且每两个H1时钟周期便从同一个中断源接受一次中断。为使DSP芯片只识别一次中断，低电平窄脉冲的宽度必须至少包含1个H1的下降沿，至多包含2个H1的下将沿，也就是说窄脉冲的宽度τ必须满足：

    P＜τ＜2P P等于H1的周期

    中断转换电路可用单稳电路来实现，图3即是采用74AS221触发器实现的转换电路，用AD1674的转换状态引脚STA来触发中断／INT1。图中R4、C15共同决定窄脉冲的宽度，由于τ=RC，因此当时钟是40MHz时，H1的周期为50ns，RC的值应在50ns和100ns之间，取R4=1.8kΩ，C15=47pF，RC=84.6ns。

    同时考虑到AD1674各选通信号均是用CPU的地址线选通，而它的启动转换引脚R／C的低电平保持时间至少为100ns，在这里我们用TMS320C31的外部存储选通信号引脚／STRB经单稳电路转换得到。如图3所示，将／STRB的下降沿经74AS221作用可得到τ=112.2NS的低电平时间。

    图4所示的实验波形是利用本论文设计的DSP数字控制器，运用运算量较大的最优控制的方法对单电磁铁系统进行实验所得出的结果。以上波形均是相应物理量在相应外界干扰下的变化值。图中单位均为国际单位制，时间t的单位是秒，干扰信号是外力，单位是牛顿，电流单位是安培，气隙单位是米。在这里气隙稳定是我们的控制目标，加速度是衡量乘客舒适度的指标，所以我们对气隙和加速度两方面进行最优化设计。通过最优控制方法设计出来的反馈系数为Ks（气隙反馈系数）=－2239.4，Ka（加速度反馈系数）=－1。有关实验参数如下：

    电磁铁质量：m=120kg单个电磁铁质量

    电磁铁匝数：N=356

    电磁铁截面积：A=210单个

    线圈电阻：R=1Ω

    平衡气隙：=10mm

    平衡电流：=30A

    ４ 结果分析

    从以上波形可以看出，无论是在外界正弦干扰还是在外界阶跃干扰下，稳定悬浮时，电磁铁电流有较小的纹波，稳态气隙值也只有很小程度的波动。而这就是DSP控制器在这方面的优越性。这是由于用DSP实现时，控制频率比一般数字控制器大大提高，同时DSP的高速浮点乘法和加法运算使从传感器来的信号能够得到很好的实时处理，也就是说上一时刻从传感器来的信号经A／D转换，再到控制器处理完以后得出来的反馈控制量作用给对象电磁铁时，电磁铁的状态变化不大，因为这期间消耗在控制运算方面的时间很少，做到了很好地跟踪对象变化，系统的性能得到了明显提高。

    同时在实现过程中我们也明显感觉到用DSP实现的数字控制器有以下几个优点：①容易实现较复杂的、运算量较大的控制算法，控制器参数也可很容易地修改；②控制脉冲频率大大提高，系统性能得到很好的改善；③很容易实现信号处理和滤波电路，减少外围电路。

    磁浮列车的控制是一项高难度、高复杂性的尖端科学技术，有许多理论和实际问题需要进行研究和试验。本文所叙述的仅仅是个起步和摸索，DSP技术是一项新兴技术，随着它的推广和应用，它的作用一定会得到进一步加强，必将带来一系列的创新和成果。

    将DSP应用到磁浮列车控制器中来，为更好地控制磁浮列车打下基础。这样就可以探索新的控制方法，如神经网络控制、模糊控制、自适应控制、H∞控制等在磁浮列车控制系统中的应用。DSP 的高速和高效的浮点数据处理能力以及它的哈佛流水线结构就为应用这些控制方法提供了条件。

    同时外围电路可用FPGA来实现，如存储器、译码电路等部分。当然如果条件允许的话，可将整个控制器用FPGA（用它的DSP模块）来实现，最后仅用一块芯片和一些外围模拟器件即可实现这一数字控制器，这样会大大减少外围干扰，系统反应时间和脉冲频率都可得到很大程度的提高。