摘 要: 用浮點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)磁浮列車數(shù)字控制器克服了傳統(tǒng)模擬控制器和數(shù)字控制器的缺點(diǎn)和局限性。達(dá)到了理想的控制效果。
關(guān)鍵詞: 磁浮列車 電磁懸浮控制 電磁鐵 控制系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)處理器
由于磁浮列車是脫離軌道運(yùn)行的,所以控制技術(shù)與磁浮技術(shù)無疑是磁浮列車的關(guān)鍵所在。對(duì)磁浮列車控制的一個(gè)最基本要求，是要保證磁浮列車能夠在各種擾動(dòng)(外部和內(nèi)部)作用下仍然具有平衡穩(wěn)定的懸浮。從磁浮列車的控制手段來看，可以應(yīng)用模擬電子電路，亦可以應(yīng)用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。模擬控制具有運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其存在工作穩(wěn)定性差、精度低、調(diào)整困難以及難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律等許多缺點(diǎn)，所以采用高速、高性能的數(shù)字控制成為目前的主要控制方式。
1 磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)
磁浮列車實(shí)際上是一個(gè)受電磁鐵和導(dǎo)軌間作用力控制的空間自由體，在空間具有6個(gè)自由度。磁浮列車的控制可以分為懸浮控制、導(dǎo)向控制和驅(qū)動(dòng)控制三個(gè)方面。對(duì)于電磁吸浮式磁浮列車，由于電磁吸力和懸浮氣隙之間成非線性反比關(guān)系，使得該電磁懸浮系統(tǒng)本身存在固有的不穩(wěn)定性，因而懸浮控制成為該類型磁浮列車的控制關(guān)鍵。從控制理論上講，有線性控制理論和非線性控制理論。應(yīng)用不同的控制理論對(duì)磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合都應(yīng)該得到類似的結(jié)果，但不同方法所帶來的有效性、直觀性和簡(jiǎn)便性卻不盡相同，尤其在實(shí)現(xiàn)方式上。
在實(shí)現(xiàn)手段上,對(duì)于復(fù)雜的控制理論來說，用數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式肯定比模擬實(shí)現(xiàn)方式方便。而磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)本身就是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，這自然就對(duì)數(shù)字控制器提出了較高的要求。磁浮列車模擬控制器電路中的電阻、電容、運(yùn)算放大器等器件的特性都會(huì)隨著溫度的改變而改變，這就意味著，一個(gè)模擬控制器的性能在0℃時(shí)和70℃時(shí)會(huì)大不一樣，而數(shù)字控制器的電路在其保證的工作范圍內(nèi)受溫度變化的影響幾乎沒有。此外，對(duì)于磁浮列車模擬控制器電路來說，還必須考慮到器件以及制造器件的材料的壽命，這將極大地影響整個(gè)懸浮控制系統(tǒng)的性能，但對(duì)于用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器，它們所帶來的影響要小得多。而且，DSP電路還可以通過編程來檢測(cè)和補(bǔ)償模擬系統(tǒng)的變化。
2 數(shù)字信號(hào)處理器簡(jiǎn)介
隨著應(yīng)用的日益廣泛，DSP(Digital signal processor)已經(jīng)成為許多高級(jí)設(shè)計(jì)不可缺少的組成部分。高速數(shù)據(jù)傳輸能力是DSP用作高速實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵性能之一。
本系統(tǒng)采用的是得克薩斯儀器公司(TI)的第三代數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C3X系列的C31芯片。它是32位浮點(diǎn)運(yùn)算DSP，其內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)和特殊的數(shù)字信號(hào)處理指令集保證了它的速度很高，靈活性也很好，每秒可以執(zhí)行3300萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。它可以在60ns的單指令周期內(nèi)并行完成定點(diǎn)或浮點(diǎn)的乘法和ALU運(yùn)算。該處理器設(shè)置了一個(gè)通用寄存器堆、高速程序緩存器(Cache)、專用輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)、片內(nèi)雙口存儲(chǔ)器、一個(gè)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該系統(tǒng)既有很好的性能，又便于使用。
傳統(tǒng)的數(shù)字控制器大多采用較高檔的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn),這種數(shù)字控制器的主要缺點(diǎn)是它的控制效果受到采樣頻率的限制。當(dāng)控制器算法比較復(fù)雜、運(yùn)算量較大時(shí),采樣頻率就不可能很高。由于磁浮列車高速運(yùn)行時(shí), 需要傳感器在采樣數(shù)據(jù)時(shí)有很好的實(shí)時(shí)性，而傳統(tǒng)的數(shù)字控制器在進(jìn)行浮點(diǎn)處理時(shí)，速度很慢,勢(shì)必影響控制效果。但用DSP來實(shí)現(xiàn)，這一問題就不難解決。
3 基于DSP的懸浮控制器的設(shè)計(jì)
在這里作者僅就用DSP實(shí)現(xiàn)單磁鐵懸浮控制器的情況進(jìn)行分析。對(duì)整車進(jìn)行分散控制時(shí),單磁鐵懸浮系統(tǒng)的分析和綜合是磁浮列車系統(tǒng)分析和控制的基礎(chǔ)。
電磁鐵的可控量為其線圈的端電壓(或者電流),通過改變線圈電流，改變氣隙磁密, 可改變電磁吸力的大小。在開環(huán)情況下，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，只有對(duì)電磁鐵的氣隙進(jìn)行反饋控制，才能保持氣隙恒定。控制框圖如圖1所示。控制原理為：首先通過傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁鐵的氣隙變化狀態(tài)，并與存儲(chǔ)在EPROM內(nèi)的參考值進(jìn)行比較；然后通過控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，得到綜合控制量，此信號(hào)即是調(diào)節(jié)電磁鐵狀態(tài)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)電磁鐵電流，可以保證電磁鐵始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。
由于有了DSP高速數(shù)據(jù)處理能力的保障，外部的A/D和D/A芯片可選用轉(zhuǎn)換速度較快的AD1674和MAX7547,其精度均為12位。在一般的數(shù)字控制器中，圖1的采樣保持和濾波電路要用獨(dú)立的電路來實(shí)現(xiàn)，這勢(shì)必增加了電路的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了不必要的外界干擾；而用DSP來作控制器，使這些部分可不必用獨(dú)立的電路實(shí)現(xiàn),只要通過軟件編程就可以實(shí)現(xiàn)，這樣既方便操作，又使調(diào)試容易，不必破壞原來的硬件電路。整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)的框圖如圖2所示。
為了節(jié)省CPU的時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換采用中斷查詢的方式。TMS320C31的中斷包括四個(gè)外部中斷、串行口中斷、定時(shí)器中斷和DMA中斷等。其中四個(gè)外部中斷采用電平觸發(fā)中斷方式，而不支持下降沿觸發(fā)中斷方式。在實(shí)際DSP應(yīng)用中往往需要下降沿觸發(fā)中斷,如外部提供一個(gè)2.4kb/s的定時(shí)時(shí)鐘, 要求每個(gè)下降沿觸發(fā)一次中斷。在這種情況下需要將下降沿轉(zhuǎn)化為一個(gè)低電平窄脈沖，并且保證這個(gè)窄脈沖能夠觸發(fā)并且只觸發(fā)一次外部中斷。
TMS320C31在H1時(shí)鐘的下降沿檢測(cè)中斷引腳, 且每?jī)蓚€(gè)H1時(shí)鐘周期便從同一個(gè)中斷源接受一次中斷。為使DSP芯片只識(shí)別一次中斷，低電平窄脈沖的寬度必須至少包含1個(gè)H1的下降沿，至多包含2個(gè)H1的下將沿, 也就是說窄脈沖的寬度τ必須滿足：
P＜τ＜2P, P等于H1的周期
中斷轉(zhuǎn)換電路可用單穩(wěn)電路來實(shí)現(xiàn)，圖3即是采用74AS221觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電路，用AD1674的轉(zhuǎn)換狀態(tài)引腳STA來觸發(fā)中斷/INT1。圖中R4、C15共同決定窄脈沖的寬度，由于τ＝RC,因此當(dāng)時(shí)鐘是40MHz時(shí),H1的周期為50ns,RC的值應(yīng)在50ns和100ns之間，取R4＝1.8kΩ,C15＝47pF,RC＝84.6ns。
同時(shí)考慮到AD1674各選通信號(hào)均是用CPU的地址線選通，而它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳R/C的低電平保持時(shí)間至少為100ns, 在這里我們用TMS320C31的外部存儲(chǔ)選通信號(hào)引腳/STRB經(jīng)單穩(wěn)電路轉(zhuǎn)換得到。如圖3所示，將/STRB的下降沿經(jīng)74AS221作用可得到τ＝112.2ns的低電平時(shí)間。
圖4所示的實(shí)驗(yàn)波形是利用本論文設(shè)計(jì)的DSP數(shù)字控制器,運(yùn)用運(yùn)算量較大的最優(yōu)控制的方法對(duì)單電磁鐵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果。以上波形均是相應(yīng)物理量在相應(yīng)外界干擾下的變化值。圖中單位均為國際單位制，時(shí)間t的單位是秒，干擾信號(hào)是外力，單位是牛頓，電流單位是安培，氣隙單位是米。在這里氣隙穩(wěn)定是我們的控制目標(biāo)，加速度是衡量乘客舒適度的指標(biāo)，所以我們對(duì)氣隙和加速度兩方面進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)出來的反饋系數(shù)為Ks(氣隙反饋系數(shù))＝－2239.4，Ka(加速度反饋系數(shù))＝－1。有關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：
電磁鐵質(zhì)量：m＝120kg(單個(gè)電磁鐵質(zhì)量)
電磁鐵匝數(shù):N＝356
電磁鐵截面積:A＝210cm2(單個(gè))
線圈電阻：R＝1Ω
平衡氣隙:s0＝10mm
平衡電流:i0＝30A
4 結(jié)果分析
從以上波形可以看出，無論是在外界正弦干擾還是在外界階躍干擾下，穩(wěn)定懸浮時(shí),電磁鐵電流有較小的紋波, 穩(wěn)態(tài)氣隙值也只有很小程度的波動(dòng)。而這就是DSP控制器在這方面的優(yōu)越性。這是由于用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，控制頻率比一般數(shù)字控制器大大提高，同時(shí)DSP的高速浮點(diǎn)乘法和加法運(yùn)算使從傳感器來的信號(hào)能夠得到很好的實(shí)時(shí)處理，也就是說上一時(shí)刻從傳感器來的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再到控制器處理完以后得出來的反饋控制量作用給對(duì)象電磁鐵時(shí)，電磁鐵的狀態(tài)變化不大，因?yàn)檫@期間消耗在控制運(yùn)算方面的時(shí)間很少，做到了很好地跟蹤對(duì)象變化,系統(tǒng)的性能得到了明顯提高。
同時(shí)在實(shí)現(xiàn)過程中我們也明顯感覺到用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①容易實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的、運(yùn)算量較大的控制算法，控制器參數(shù)也可很容易地修改；②控制脈沖頻率大大提高，系統(tǒng)性能得到很好的改善；③很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和濾波電路，減少外圍電路。
磁浮列車的控制是一項(xiàng)高難度、高復(fù)雜性的尖端科學(xué)技術(shù)，有許多理論和實(shí)際問題需要進(jìn)行研究和試驗(yàn)。本文所敘述的僅僅是個(gè)起步和摸索，DSP技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，隨著它的推廣和應(yīng)用，它的作用一定會(huì)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，必將帶來一系列的創(chuàng)新和成果。
將DSP應(yīng)用到磁浮列車控制器中來，為更好地控制磁浮列車打下基礎(chǔ)。這樣就可以探索新的控制方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、H∞控制等在磁浮列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。DSP 的高速和高效的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力以及它的哈佛流水線結(jié)構(gòu)就為應(yīng)用這些控制方法提供了條件。
同時(shí)外圍電路可用FPGA來實(shí)現(xiàn)，如存儲(chǔ)器、譯碼電路等部分。當(dāng)然如果條件允許的話，可將整個(gè)控制器用FPGA(用它的DSP模塊)來實(shí)現(xiàn)，最后僅用一塊芯片和一些外圍模擬器件即可實(shí)現(xiàn)這一數(shù)字控制器，這樣會(huì)大大減少外圍干擾，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和脈沖頻率都可得到很大程度的提高。
參考文獻(xiàn)
1 吳建軍.磁懸浮系統(tǒng)的研究.西南交通大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì),1998
2 江 浩，連級(jí)三.單磁鐵懸浮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型與控制. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1992(1)
3 TMS320C3X User＇s Guide. Texas Instruments,1992
4 張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社, 1997
5 彭啟琮,李玉柏. DSP技術(shù). 電子科技大學(xué)出版社，1997(11)