一種基于數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門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201 204）
摘要：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(yīng)性、抑制車軌共振，磁懸浮控制器通常采用雙環(huán)控制的方法。隨著高速數(shù)字信號處理器( dsp)的出現(xiàn)，磁懸浮控制器實現(xiàn)了數(shù)字化。在詳細分析各種數(shù)字化磁懸浮控制器的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的適用于雙環(huán)控制的基于dsp和現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)的磁懸浮控制器，并進行了軟、硬件設(shè)計和試驗驗證。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。
關(guān)鍵詞：雙環(huán)控制：數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列；磁懸浮控制器；數(shù)字控制
中國分類號：tm 301.2文獻標(biāo)志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0042-04
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(yīng)性、抑制車軌共振，磁懸浮控制器通常采用雙環(huán)控制，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]提出將磁息浮系統(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（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。
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。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(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(fpca)的新型磷懸浮控制器。
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tms320f2812。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(fù)雜可編程邏輯控制器(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(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；
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