徐俊起，吳小東

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司，上海 201204)

0 引言

為增強控制系統(tǒng)對磁懸浮列車系統(tǒng)參數(shù)變化的適應性、抑制車軌共振，磁懸浮控制器通常采用雙環(huán)控制[1-2]，即把磁懸浮控制器分為電流環(huán)子控制器和位置環(huán)子控制器，如圖1所示:位置環(huán)由間隙信號測量值s和給定間隙值sref組成;電流環(huán)由電流信號測量值和給定電流值iref組成。文獻[1]提出將磁懸浮系統(tǒng)分解為電流環(huán)和懸浮子控制系統(tǒng)兩個串行、解耦的子系統(tǒng)來設(shè)計控制器;文獻[2]提出將懸浮系統(tǒng)分為電流環(huán)和位置環(huán)進行控制，并設(shè)計了以TMS320F2407數(shù)字信號處理器(Digital Singal Processing，DSP)為核心的控制器對其進行試驗驗證;文獻[3]對磁懸浮控制器的電流環(huán)作了研究，并設(shè)計了實用模擬電流環(huán)電路;文獻[4]對磁懸浮列車懸浮控制器的電流環(huán)進行了深入研究，并提出了次速電流環(huán)的概念;文獻[5]對磁懸浮控制器數(shù)字化進行了分析，并采用MC80C196單片機予以實現(xiàn);文獻[6]用 DSP實現(xiàn)了磁懸浮控制器。

圖1 磁懸浮系統(tǒng)的雙環(huán)控制示意圖

在磁懸浮控制系統(tǒng)中，電流環(huán)控制非常重要，系統(tǒng)降階的依據(jù)就是電流環(huán)具有足夠快的速度[1]。但是，在電流環(huán)調(diào)節(jié)過程中，由于電磁鐵線圈電感和電阻不斷變化，因此電流環(huán)的系統(tǒng)參數(shù)不是固定的。另外，由于電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)，要求電流環(huán)比位置環(huán)具有更快的速度。

在以往的磁懸浮控制中，由于硬件成本和單片機運算速度等原因，通常采用模擬電路實現(xiàn)磁懸浮控制器。模擬磁懸浮控制器存在靈活性差、抗干擾性差、參數(shù)調(diào)整困難等方面的缺點。隨著DSP等的應用，數(shù)字化磁懸浮控制器得到了廣泛推廣，并且隨著雙環(huán)控制理論的應用，出現(xiàn)了三種數(shù)字磁懸浮控制器結(jié)構(gòu):第一種是半數(shù)字化結(jié)構(gòu)的控制器，即位置環(huán)采用DSP實現(xiàn)，電流環(huán)采用模擬電路實現(xiàn);第二種是用單個DSP實現(xiàn)位置環(huán)和電流環(huán)的數(shù)字雙環(huán)單DSP控制器;第三種是雙DSP結(jié)構(gòu)的磁懸浮控制器，即用一個DSP實現(xiàn)電流環(huán)控制，另一個DSP實現(xiàn)位置環(huán)控制。

本文對各種數(shù)字磁懸浮控制器進行分析，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越，更適合于雙環(huán)控制的基于DSP和現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的新型磁懸浮控制器。

1 數(shù)字雙環(huán)單DSP磁懸浮控制器

第一種半數(shù)字化結(jié)構(gòu)磁懸浮控制器還沒有完全實現(xiàn)電流環(huán)的數(shù)字化，存在明顯不足，這里不作詳細分析。本文重點分析數(shù)字雙環(huán)單DSP控制器和雙DSP結(jié)構(gòu)的磁懸浮控制器。

數(shù)字雙環(huán)單DSP控制器如圖2所示。圖中DSP采用TI公司的TMS320LF2407或TMS320F 2812。由于TMS320LF2407和TMS320F 2812內(nèi)部自帶的片內(nèi)AD芯片轉(zhuǎn)換誤差較大、抗干擾能力較弱，對于懸浮控制器這種采樣精度要求較高，且工作環(huán)境比較惡劣的情況，其片內(nèi)A/D往往不能達到要求，因此需要外擴A/D。DSP與外圍芯片之間的地址邏輯由復雜可編程邏輯控制器(Complex Programmable Logic Device，CPLD)實現(xiàn)。

這種數(shù)字雙環(huán)單DSP控制器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)位置環(huán)和電流環(huán)的數(shù)字化控制，但存在以下缺點:

(1)采樣頻率必須以電流環(huán)采樣速度為準，需要保持高采樣速度;

(2)控制周期必須以電流環(huán)控制周期為準，保持高速運行，系統(tǒng)負荷重;

(3)在軟件設(shè)計上，電流環(huán)和位置環(huán)不能完全解耦，調(diào)試困難;

(4)試驗證明，如果選用的DSP速度較慢，則很難實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。

圖2 數(shù)字雙環(huán)單DSP磁懸浮控制器原理框圖

2 雙DSP結(jié)構(gòu)磁懸浮控制器

雙DSP結(jié)構(gòu)的磁懸浮控制器如圖3所示。圖中 DSP采用 TI公司的 TMS320LF2407或TMS320F2812。由于兩個DSP之間需要通信，因此增加雙口RAM芯片。兩個DSP之間及DSP與外圍芯片之間的地址邏輯由CPLD實現(xiàn)。由于采樣精度的原因，需要外擴A/D芯片。另外，需要擴展CAN等通信接口，實現(xiàn)磁懸浮控制器與上位機之間的通信。DSP1實現(xiàn)位置環(huán)控制和對外通信，DSP2實現(xiàn)電流環(huán)控制。

圖3 雙DSP結(jié)構(gòu)磁懸浮控制器原理框圖

雙DSP控制器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)位置環(huán)和電流環(huán)的獨立雙環(huán)控制器，但具有以下不足:

(1)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，容易發(fā)生硬件故障;

(2)需要增加雙口RAM和CPLD，成本較高;

(3)DSP外圍接口豐富，用于電流環(huán)控制的DSP2資源浪費;

(4)系統(tǒng)擴展不靈活。

3 基于DSP和FPGA的磁懸浮控制器設(shè)計

在以上幾種數(shù)字控制器的基礎(chǔ)上，本文介紹基于DSP和FPGA的磁懸浮控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中DSP用于實現(xiàn)位置環(huán)控制和對外通信，F(xiàn)PGA用于實現(xiàn)電流環(huán)控制及DSP與外圍芯片之間的地址邏輯，DSP和FPGA之間采用并口通信。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高速有效，達到了對DSP和FPGA資源的各取所長、合理配置的目的。為提高AD采樣精度和抗干擾能力而不外擴AD，DSP選用 TI公司新型浮點 DSP芯片TMS320F28335。TMS320F28335對片內(nèi)AD進行了改進，性能大大提高，并采用了浮點運算器。FPGA選用XINLIX公司的XC3S200系列，外擴高速AD轉(zhuǎn)換器AD7864，實現(xiàn)電流值i的高速采樣，以適應高速的電流環(huán)控制。

圖4 基于DSP和FPGA的磁懸浮控制器原理框圖

4 基于DSP和FPGA的磁懸浮控制器實現(xiàn)

(1)位置環(huán)控制器的實現(xiàn)。位置環(huán)采用位置反饋和垂向速度反饋的方法，控制周期設(shè)為200 μs，控制算法可采用PID控制，也可采用非線性控制等先進的懸浮控制算法。PD控制算法軟件流程如圖5所示。

(2)電流環(huán)控制器的實現(xiàn)。電流環(huán)控制器在FPGA中實現(xiàn)，采用VHDL語言書寫，采用PI調(diào)節(jié)控制策略，控制周期為50 μs。試驗中可采用反復湊試的方式，確定合理的PI參數(shù)。軟件流程圖如圖6所示。

圖5 位置環(huán)控制器軟件流程圖

圖6 電流環(huán)控制器軟件流程圖

圖7 懸浮控制試驗波形

(3)懸浮控制試驗結(jié)果。對根據(jù)以上方法設(shè)計的磁懸浮控制器進行懸浮控制試驗。懸浮電磁鐵起浮、下落和穩(wěn)定懸浮的試驗結(jié)果如圖7所示。圖中信號1為電流波形，信號2為間隙波形。電磁鐵落下時，懸浮間隙信號電壓值約為10 V(表示20 mm)，浮起后約為4.7 V(表示9.4 mm)。穩(wěn)定懸浮時電流值約為35 A。試驗證明，系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

5 結(jié)語

本文通過對傳統(tǒng)控制器硬件不足的分析，根據(jù)磁懸浮系統(tǒng)雙環(huán)控制理論，設(shè)計了新型的基于DSP和FPGA的磁懸浮數(shù)字控制器的軟、硬件，并進行了試驗驗證。理論分析和試驗結(jié)果表明，該控制器結(jié)構(gòu)簡單合理、高速有效，能夠完成先進的懸浮控制算法。

[1]李云鋼.磁浮列車懸浮系統(tǒng)的串級控制[J].自動化學報，1999，25(2):247-251.

[2]劉橫坤.磁懸浮列車的雙環(huán)控制[J].控制工程，2007，14(2):198-200.

[3]徐曉峰，連級三.磁懸浮斬波器電流閉環(huán)誤差放大器設(shè)計研究[C]∥中國首屆電子電源及功率自關(guān)斷器件應用技術(shù)研討會，1999(8):191-194.

[4]李云鋼.磁浮列車懸浮控制器的電流環(huán)分析與優(yōu)化設(shè)計[J].國防科技大學學報，2006，28(1):94-97.

[5]李熹，蔣啟龍.基于MC80C196的單磁鐵懸浮控制[J].機車電傳動，2000(1):25-27.

[6]吳建軍，張昆侖.用DSP實現(xiàn)新一代磁浮列車懸浮控制器[J].電子技術(shù)應用，2000，26(7):25-27.