一種基于數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的磁懸浮控制器

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(qiáng)控制系統(tǒng)對(duì)磁懸浮列車系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)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(hào)測(cè)量值s和給定間隙值sref組成;電流環(huán)由電流信號(hào)測(cè)量值和給定電流值iref組成。文獻(xiàn)[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(gè)串行、解耦的子系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)控制器;文獻(xiàn)[2]提出將懸浮系統(tǒng)分為電流環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行控制，并設(shè)計(jì)了以TMS320F2407數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Singal Processing，DSP)為核心的控制器對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;文獻(xiàn)[3]對(duì)磁懸浮控制器的電流環(huán)作了研究，并設(shè)計(jì)了實(shí)用模擬電流環(huán)電路;文獻(xiàn)[4]對(duì)磁懸浮列車懸浮控制器的電流環(huán)進(jìn)行了深入研究，并提出了次速電流環(huán)的概念;文獻(xiàn)[5]對(duì)磁懸浮控制器數(shù)字化進(jìn)行了分析，并采用MC80C196單片機(jī)予以實(shí)現(xiàn);文獻(xiàn)[6]用 DSP實(shí)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(guò)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(jī)運(yùn)算速度等原因，通常采用模擬電路實(shí)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(diǎn)。隨著DSP等的應(yīng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)，電流環(huán)采用模擬電路實(shí)現(xiàn);第二種是用單個(gè)DSP實(shí)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(gè)DSP實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制，另一個(gè)DSP實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制。

本文對(duì)各種數(shù)字磁懸浮控制器進(jìn)行分析，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越，更適合于雙環(huán)控制的基于DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(méi)有完全實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的數(shù)字化，存在明顯不足，這里不作詳細(xì)分析。本文重點(diǎn)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(duì)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(dá)到要求，因此需要外擴(kuò)A/D。DSP與外圍芯片之間的地址邏輯由復(fù)雜可編程邏輯控制器(Complex Programmable Logic Device，CPLD)實(shí)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(diǎn):

(1)采樣頻率必須以電流環(huán)采樣速度為準(zhǔn)，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(zhǔn)，保持高速運(yùn)行，系統(tǒng)負(fù)荷重;

(3)在軟件設(shè)計(jì)上，電流環(huán)和位置環(huán)不能完全解耦，調(diào)試?yán)щy;

(4)試驗(yàn)證明，如果選用的DSP速度較慢，則很難實(shí)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(gè)DSP之間需要通信，因此增加雙口RAM芯片。兩個(gè)DSP之間及DSP與外圍芯片之間的地址邏輯由CPLD實(shí)現(xiàn)。由于采樣精度的原因，需要外擴(kuò)A/D芯片。另外，需要擴(kuò)展CAN等通信接口，實(shí)現(xiàn)磁懸浮控制器與上位機(jī)之間的通信。DSP1實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制和對(duì)外通信，DSP2實(shí)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(dú)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(fù)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(fèi);

(4)系統(tǒng)擴(kuò)展不靈活。

3 基于DSP和FPGA的磁懸浮控制器設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制和對(duì)外通信，F(xiàn)PGA用于實(shí)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(jiǎn)單、高速有效，達(dá)到了對(duì)DSP和FPGA資源的各取所長(zhǎng)、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(kuò)AD，DSP選用 TI公司新型浮點(diǎn) DSP芯片TMS320F28335。TMS320F28335對(duì)片內(nèi)AD進(jìn)行了改進(jìn)，性能大大提高，并采用了浮點(diǎn)運(yùn)算器。FPGA選用XINLIX公司的XC3S200系列，外擴(kuò)高速AD轉(zhuǎn)換器AD7864，實(shí)現(xiàn)電流值i的高速采樣，以適應(yīng)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(shí)現(xiàn)

(1)位置環(huán)控制器的實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。電流環(huán)控制器在FPGA中實(shí)現(xiàn)，采用VHDL語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，采用PI調(diào)節(jié)控制策略，控制周期為50 μs。試驗(yàn)中可采用反復(fù)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(yàn)波形

(3)懸浮控制試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)根據(jù)以上方法設(shè)計(jì)的磁懸浮控制器進(jìn)行懸浮控制試驗(yàn)。懸浮電磁鐵起浮、下落和穩(wěn)定懸浮的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖中信號(hào)1為電流波形，信號(hào)2為間隙波形。電磁鐵落下時(shí)，懸浮間隙信號(hào)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(shí)電流值約為35 A。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)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(jì)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(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、高速有效，能夠完成先進(jìn)的懸浮控制算法。

[1]李云鋼.磁浮列車懸浮系統(tǒng)的串級(jí)控制[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，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(jí)三.磁懸浮斬波器電流閉環(huán)誤差放大器設(shè)計(jì)研究[C]∥中國(guó)首屆電子電源及功率自關(guān)斷器件應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)，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(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(1):94-97.

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

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