用dsp實現(xiàn)新一代磁浮列車懸浮控制器

摘 要 用浮點dsp實現(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)字控制器的缺點和局限性。達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)字信號處理器

由于磁浮列車是脫離軌道運行的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。對磁浮列車控制的一個最基本要求，是要保證磁浮列車能夠在各種擾動（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，可以應用模擬電子電路，亦可以應用數(shù)字電子計算機。模擬控制具有運算速度快、實時性好等優(yōu)點，但由于其存在工作穩(wěn)定性差、精度低、調(diào)整困難以及難于實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律等許多缺點，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)

磁浮列車實際上是一個受電磁鐵和導軌間作用力控制的空間自由體，在空間具有６個自由度。磁浮列車的控制可以分為懸浮控制、導向控制和驅(qū)動控制三個方面。對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。應用不同的控制理論對磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)進行分析和綜合都應該得到類似的結(jié)果，但不同方法所帶來的有效性、直觀性和簡便性卻不盡相同，尤其在實現(xiàn)方式上。

在實現(xiàn)手段上對于復雜的控制理論來說，用數(shù)字實現(xiàn)方式肯定比模擬實現(xiàn)方式方便。而磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)本身就是個復雜系統(tǒng)，這自然就對數(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、運算放大器等器件的特性都會隨著溫度的改變而改變，這就意味著，一個模擬控制器的性能在0℃時和70℃時會大不一樣，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懸浮控制系統(tǒng)的性能，但對于用數(shù)字信號處理器（dsp）來實現(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和補償模擬系統(tǒng)的變化。

２ 數(shù)字信號處理器簡介

隨著應用的日益廣泛，dsp（digital signal processor）已經(jīng)成為許多高級設(shè)計不可缺少的組成部分。高速數(shù)據(jù)傳輸能力是dsp用作高速實時處理的關(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)字信號處理器tms320c3x系列的c31芯片。它是32位浮點運算dsp，其內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)和特殊的數(shù)字信號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3300萬次浮點運算。它可以在60ns的單指令周期內(nèi)并行完成定點或浮點的乘法和alu運算。該處理器設(shè)置了一個通用寄存器堆、高速程序緩存器（cache）、專用輔助寄存器算術(shù)單元（arau）、片內(nèi)雙口存儲器、一個支持并行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來實現(xiàn)，這種數(shù)字控制器的主要缺點是它的控制效果受到采樣頻率的限制。當控制器算法比較復雜、運算量較大時，采樣頻率就不可能很高。由于磁浮列車高速運行時， 需要傳感器在采樣數(shù)據(jù)時有很好的實時性，而傳統(tǒng)的數(shù)字控制器在進行浮點處理時，速度很慢，勢必影響控制效果。但用dsp來實現(xiàn)，這一問題就不難解決。

３ 基于dsp的懸浮控制器的設(shè)計

在這里作者僅就用dsp實現(xiàn)單磁鐵懸浮控制器的情況進行分析。對整車進行分散控制時，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，只有對電磁鐵的氣隙進行反饋控制，才能保持氣隙恒定�？刂瓶驁D如圖１所示�？刂圃頌椋菏紫韧ㄟ^傳感器實時檢測電磁鐵的氣隙變化狀態(tài)，并與存儲在eprom內(nèi)的參考值進行比較；然后通過控制器進行運算處理，得到綜合控制量，此信號即是調(diào)節(jié)電磁鐵狀態(tài)的控制信號，調(diào)節(jié)電磁鐵電