用DSP实现新一代磁浮列车悬浮控制器
发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:660
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
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
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