磁懸浮列車懸浮控制器設計

葉晟季

摘 要：本文旨在實現磁懸浮列車的懸浮控制。首先，根據單電磁鐵模型、反饋控制算法等理論研究，對懸浮控制進行了可行性分析。通過建立單電磁鐵懸浮模型，分析得出了磁懸浮系統的傳遞函數，并選取PID算法作為核心的反饋控制算法。其次，圍繞數字化懸浮控制的工程實現展開探討。提出了數字懸浮控制器的軟硬件設計方案。該數字懸浮控制器采用兩片DSP處理芯片，并整合了若干外圍模塊，可完成信號的采集、控制算法的執行和控制信號的發生，具備較強的控制性能。

關鍵詞：磁懸浮 懸浮控制 單電磁鐵模型 數字控制器 DSP

中圖分類號：TP273+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0091-03

1 單電磁鐵懸浮系統模型

磁懸浮列車磁轉向架的兩側分別安裝了由四個電磁鐵組成的模塊，每個模塊的運動方式有六個自由度[5]。對系統進行解耦，可以得到單個電磁鐵懸浮系統的模型。對其單獨實施控制，便可實現對整個系統的復雜運動的控制。

1.1 單電磁鐵模型的建立

經分析，單電磁鐵懸浮動態模型原理圖如圖1所示。

（1）由磁場儲能方程及電磁力與磁場能量關系的方程，得電磁吸引力F（i，c）的表達式為：

（2）電磁鐵繞組回路電壓方程為：

（3）在電磁鐵垂直方向上進行受力分析，可得出如下方程：

1.2 傳遞函數的建立

聯立上述方程，得到勵磁線圈電流i（t）和氣隙c（t）之間復雜的非線性關系。由于系統穩定工作時工作范圍較小，將該方程在平衡點附近線性化處理。經推導，得到傳遞函數G（s）：

已知某實驗平臺的懸浮架參數如表1所示：

已知懸浮架m=2900 kg，N=500，A=750×30，指定平衡點氣隙8 mm，可以求得，，代入得到列車空載時的開環傳遞函數為：

解出特征方程得到兩個開環極點，其中一個位于右半平面，系統不穩定，需引入反饋控制。

2 PID反饋控制技術

PID控制算法簡單，參數易整定，抗干擾能力強、可靠性高。實際經驗和理論分析均表明，該控制規律對大多數工業過程有較好的控制效果。

2.1 模擬PID控制

模擬PID控制器的傳遞函數模型為：

其中：為比例增益；為積分時間常數；為微分時間常數。

引入PID控制器后，系統的閉環控制系統的閉環傳遞函為：

=

閉環特征方程為1+D（s）G（s）=0，可利用極點配置法，按照控制要求設計出PID控制器D（s）中各個環節的參數。但采用極點配置或最優控制理論設計出的PID參數往往和實際值有偏差，所以要確定最優的PID控制的參數，還需要現場整定。

2.2 數字PID控制器設計

數字懸浮控制器因其運算速度快、編程靈活等優點，被廣泛應用。數字PID控制算法應運而生。由于數字PID位置型算法涉及到累加運算，需占用較多的存儲空間，因此，本設計選用數字PID增量型控制算法，增量型控制算法的優勢在于：（1）無需做累加計算。（2）不會產生大量的累計誤差。其表達式如下：

2.3 數字PID控制器的改進

在設計數字PID控制器時，只有充分發揮DSP運算速度快、邏輯判斷能力強，編程靈活等優勢，才能在控制性能上超越模擬控制器。傳統的PID控制是單反饋控制，雖然能使系統達到無靜差控制，但往往無法兼顧快速響應和靜態穩定性。因此，引入多反饋PID控制技術。多反饋PID控制技術是指在傳統PID控制的基礎上，將影響系統穩定性的其他參變量也納入監控之中，并將這些參變量的變化直接引入控制邏輯，做出相應的控制應對。該改進可加強系統的控制效果、安全性和智能性。

3 磁懸浮列車懸浮狀態分析

3.1 氣隙的動態變化

中低速磁懸浮列車采用電磁吸引力作為懸浮力。當電磁鐵沒有通電時，磁懸浮列車落在導軌上，懸浮氣隙最大。電磁鐵通電后，由于導軌和磁鐵間的吸引力，列車被吸起。且氣隙越小，吸引力越大，所以必須適時地減小電磁鐵的勵磁電流以減小吸引力，否則列車將被牢牢吸在導軌上。電磁懸浮裝置的目的是讓列車穩定地懸浮于平衡位置Co。穩定懸浮時，氣隙在平衡位置附近周期變化，如圖2所示。

3.2 勵磁電流控制

電磁鐵與導軌之間的吸引力大小由電磁鐵線圈上通過的勵磁電流決定的。勵磁電流由全橋結構H型斬波電路產生。橋的兩臂分別由全控型器件、和二極管、構成，負載（電磁鐵線圈）可以用L和R的串聯電路等效負載。C為電容。PWM脈沖發生器產生導通信號，控制IGBT的導通角，以控制輸出電流的大小，起到調節懸浮力的作用。

4 懸浮數字控制器的硬件設計

4.1 數字懸浮控制系統總體方案

懸浮控制器采用型號為TMS320F2812的DSP處理芯片作為主控芯片。其運算精度高、速度快、參數修改和調試方便、外設接口豐富，具有一定的數字信號處理能力和強大的控制功能，能夠快速、大批量地處理數據，很適合懸浮控制場合。

基于兩塊DSP芯片設計的懸浮控制器如圖3所示，它包含了多個模塊。懸浮控制由各個模塊協同工作來完成。首先，傳感器將檢測到的氣隙大小、電磁鐵運動加速度、勵磁電流等信號轉化成相應大小的電流信號，送至運放濾波電路中濾除高次諧波，再送至調理電路中調節其幅值，然后送到A/D轉換芯片輸入端進行模-數轉換并輸出到第一塊DSP芯片中。第一塊DSP芯片負責數據采集及預處理，并存入雙端口RAM中供第二塊DSP芯片讀取。第二塊DSP芯片主要負責算法分析和數據計算，并輸出對應占空比的PWM脈沖，PWM經過驅動電路放大并控制斬波電路中IGBT的關斷與導通，完成對電磁力大小的控制。endprint

4.2 懸浮控制器各模塊設計

（1）主電路設計。

因磁懸浮系統的非線性特性，懸浮控制的數據計算量很大。同時，懸浮系統的對控制器的快速性有較高的要求。TMS320F2812作為一款專門用于控制的高性能定點DSP處理芯片，具有很強的實時性和快速性，能夠滿足上述要求。主電路由兩塊TMS320F

2812 DSP處理芯片組成。兩者互相配合，協同工作，大大提高了運算效率和運算速度，滿足了復雜懸浮控制系統對于精度和實時性的要求。

（2）各外圍電路的設計。

①濾波電路。

傳感器采集到電流、氣隙、加速度三路信號需要進行適當處理，最終轉換為數字信號。外界電路可能產生高頻噪聲，這種高頻噪聲疊加在傳感器的信號之上，會造成信號混疊現象。懸浮控制系統對數據可靠性的要求較高，所以需要對信號進行濾波。濾波器能抗混疊、去除噪聲，提高系統精度。

②信號調理電路。

信號經過濾波電路濾波后，還需要經過調理電路進行適當調理，使信號的電流或電壓滿足A/D轉換器輸入端的輸入要求。調理電路主要功能為比例縮小和平移，調理后的模擬信號的電壓范圍為0～3 V。

③A/D轉換器。

本文的控制器設計方案中采用外置A/D轉換器AD7864AS，目的是減輕DSP處理芯片的負擔，提高其處理能力。

④外部擴展存儲器。

外部擴展存儲器采用IDT70V24L芯片，這款芯片提供了兩個獨立的的端口，它們有各自獨立的控制源、地址和I/O引腳，可以保證讀寫互相獨立、同步進行。

⑤驅動電路。

DSP產生的PWM脈沖，由I/O口發出，經電平轉換芯片及光耦隔離電路，由驅動芯片進行幅值放大，以達到IGBT的導通要求。

5 懸浮控制器的軟件設計

5.1 主程序總體設計

懸浮控制器主程序所做的工作主要有初始化操作、A/D轉換、定時器設置、中斷處理、子程序調用。程序運行主要包括三個環節，分別是電磁鐵位置確定、系統開環啟動和閉環控制。當中，閉環控制程序的設計最為關鍵。

電流內環的PI控制和位置外環的PID控制一起，構成了懸浮控制器的閉環控制部分。內環和外環共同作用，可以極大地提升了控制效果。因此，閉環控制程序應當包含數字PI控制算法和數字PID控制算法。在主程序運行的過程中，控制算法作為中斷子程序被主程序調用。

懸浮控制器主程序的運作流程如圖4所示。主程序首先執行初始化指令。給變量賦初值，禁用看門狗，設置時鐘寄存器，啟動定時器、計數器和A/D轉換器。初始化完成后，反復檢查起浮指令輸入端口，若得到了起浮指令，懸浮控制器在程序的控制下開始執行數據采集、信號調理、控制算法子程序調用、輸出PWM脈沖等一系列操作。然后繼續詢問起浮指令輸入端，進入下一次循環。

5.2 控制算法子程序設計

懸浮控制算法子程序是實現懸浮控制的關鍵環節。控制算法子程序開始運行，首先判斷氣隙值與額定值的大小關系，根據判斷結果決定PID參數的設定，進而決定電流的變化。然后在位置環中加入電流環，運用PI控制算法，根據加速度的數值，設置相應的PI參數。加速度外環和氣隙內環共同作用，影響控制算法的輸出。這種算法具有很強的適應性和精確度。

6 結語

本文提出了數字懸浮控制器的設計方案。該方案采用雙DSP結構，DSP之間的數據通過雙口RAM實現共享和交互，使運算效率和運算速度大大提高。選用數字PID增量型算法，并引入多反饋控制的概念，確定了增加電流內環的雙閉環PID控制方案。該方案能在最大程度上滿足復雜懸浮控制系統對于實時性和精度的要求。經過仿真驗證，該方案和僅采用單塊DSP和傳統控制算法的懸浮控制器相比，在控制效果方面有了大幅提升。

參考文獻

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[8] 馬永軍，劉霞.DSP原理與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2008，6：182.

[9] 謝青紅.TMS320F2812 DSP原理及其在運動控制系統中的應用[M].電子工業出版社，2009：30-82.

[10] 李云鋼.磁浮列車單鐵懸浮研究[D].國防科學技術大學，1994.

[11] 袁安富.自動控制原理[M].清華大學出版社，2008，8：341.

[12] 李云鋼，陳強，張琨，等.磁懸浮列車數字式懸浮控制器應用研究[J].機車電傳動，2002（4）：25-26，35.

[13] Cheng Hu，Zhang Xiao，Li Yungang.Controller Design and Damping Refined Computation in EMS Maglev Train[J].Energy Procedia，2011，13：7550-7556.

[14] S. Yamamura，“Magnetic levitation technology of tracked vehicles present status and prospects，”IEEE Trans. Magn.，vol.MAG-12，no.6，pp.874-878，Nov.1976.endprint

4.2 懸浮控制器各模塊設計

（1）主電路設計。

因磁懸浮系統的非線性特性，懸浮控制的數據計算量很大。同時，懸浮系統的對控制器的快速性有較高的要求。TMS320F2812作為一款專門用于控制的高性能定點DSP處理芯片，具有很強的實時性和快速性，能夠滿足上述要求。主電路由兩塊TMS320F

2812 DSP處理芯片組成。兩者互相配合，協同工作，大大提高了運算效率和運算速度，滿足了復雜懸浮控制系統對于精度和實時性的要求。

（2）各外圍電路的設計。

①濾波電路。

傳感器采集到電流、氣隙、加速度三路信號需要進行適當處理，最終轉換為數字信號。外界電路可能產生高頻噪聲，這種高頻噪聲疊加在傳感器的信號之上，會造成信號混疊現象。懸浮控制系統對數據可靠性的要求較高，所以需要對信號進行濾波。濾波器能抗混疊、去除噪聲，提高系統精度。

②信號調理電路。

信號經過濾波電路濾波后，還需要經過調理電路進行適當調理，使信號的電流或電壓滿足A/D轉換器輸入端的輸入要求。調理電路主要功能為比例縮小和平移，調理后的模擬信號的電壓范圍為0～3 V。

③A/D轉換器。

本文的控制器設計方案中采用外置A/D轉換器AD7864AS，目的是減輕DSP處理芯片的負擔，提高其處理能力。

④外部擴展存儲器。

外部擴展存儲器采用IDT70V24L芯片，這款芯片提供了兩個獨立的的端口，它們有各自獨立的控制源、地址和I/O引腳，可以保證讀寫互相獨立、同步進行。

⑤驅動電路。

DSP產生的PWM脈沖，由I/O口發出，經電平轉換芯片及光耦隔離電路，由驅動芯片進行幅值放大，以達到IGBT的導通要求。

5 懸浮控制器的軟件設計

5.1 主程序總體設計

懸浮控制器主程序所做的工作主要有初始化操作、A/D轉換、定時器設置、中斷處理、子程序調用。程序運行主要包括三個環節，分別是電磁鐵位置確定、系統開環啟動和閉環控制。當中，閉環控制程序的設計最為關鍵。

電流內環的PI控制和位置外環的PID控制一起，構成了懸浮控制器的閉環控制部分。內環和外環共同作用，可以極大地提升了控制效果。因此，閉環控制程序應當包含數字PI控制算法和數字PID控制算法。在主程序運行的過程中，控制算法作為中斷子程序被主程序調用。

懸浮控制器主程序的運作流程如圖4所示。主程序首先執行初始化指令。給變量賦初值，禁用看門狗，設置時鐘寄存器，啟動定時器、計數器和A/D轉換器。初始化完成后，反復檢查起浮指令輸入端口，若得到了起浮指令，懸浮控制器在程序的控制下開始執行數據采集、信號調理、控制算法子程序調用、輸出PWM脈沖等一系列操作。然后繼續詢問起浮指令輸入端，進入下一次循環。

5.2 控制算法子程序設計

懸浮控制算法子程序是實現懸浮控制的關鍵環節。控制算法子程序開始運行，首先判斷氣隙值與額定值的大小關系，根據判斷結果決定PID參數的設定，進而決定電流的變化。然后在位置環中加入電流環，運用PI控制算法，根據加速度的數值，設置相應的PI參數。加速度外環和氣隙內環共同作用，影響控制算法的輸出。這種算法具有很強的適應性和精確度。

6 結語

本文提出了數字懸浮控制器的設計方案。該方案采用雙DSP結構，DSP之間的數據通過雙口RAM實現共享和交互，使運算效率和運算速度大大提高。選用數字PID增量型算法，并引入多反饋控制的概念，確定了增加電流內環的雙閉環PID控制方案。該方案能在最大程度上滿足復雜懸浮控制系統對于實時性和精度的要求。經過仿真驗證，該方案和僅采用單塊DSP和傳統控制算法的懸浮控制器相比，在控制效果方面有了大幅提升。

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[14] S. Yamamura，“Magnetic levitation technology of tracked vehicles present status and prospects，”IEEE Trans. Magn.，vol.MAG-12，no.6，pp.874-878，Nov.1976.endprint

4.2 懸浮控制器各模塊設計

（1）主電路設計。

因磁懸浮系統的非線性特性，懸浮控制的數據計算量很大。同時，懸浮系統的對控制器的快速性有較高的要求。TMS320F2812作為一款專門用于控制的高性能定點DSP處理芯片，具有很強的實時性和快速性，能夠滿足上述要求。主電路由兩塊TMS320F

2812 DSP處理芯片組成。兩者互相配合，協同工作，大大提高了運算效率和運算速度，滿足了復雜懸浮控制系統對于精度和實時性的要求。

（2）各外圍電路的設計。

①濾波電路。

傳感器采集到電流、氣隙、加速度三路信號需要進行適當處理，最終轉換為數字信號。外界電路可能產生高頻噪聲，這種高頻噪聲疊加在傳感器的信號之上，會造成信號混疊現象。懸浮控制系統對數據可靠性的要求較高，所以需要對信號進行濾波。濾波器能抗混疊、去除噪聲，提高系統精度。

②信號調理電路。

信號經過濾波電路濾波后，還需要經過調理電路進行適當調理，使信號的電流或電壓滿足A/D轉換器輸入端的輸入要求。調理電路主要功能為比例縮小和平移，調理后的模擬信號的電壓范圍為0～3 V。

③A/D轉換器。

本文的控制器設計方案中采用外置A/D轉換器AD7864AS，目的是減輕DSP處理芯片的負擔，提高其處理能力。

④外部擴展存儲器。

外部擴展存儲器采用IDT70V24L芯片，這款芯片提供了兩個獨立的的端口，它們有各自獨立的控制源、地址和I/O引腳，可以保證讀寫互相獨立、同步進行。

⑤驅動電路。

DSP產生的PWM脈沖，由I/O口發出，經電平轉換芯片及光耦隔離電路，由驅動芯片進行幅值放大，以達到IGBT的導通要求。

5 懸浮控制器的軟件設計

5.1 主程序總體設計

懸浮控制器主程序所做的工作主要有初始化操作、A/D轉換、定時器設置、中斷處理、子程序調用。程序運行主要包括三個環節，分別是電磁鐵位置確定、系統開環啟動和閉環控制。當中，閉環控制程序的設計最為關鍵。

電流內環的PI控制和位置外環的PID控制一起，構成了懸浮控制器的閉環控制部分。內環和外環共同作用，可以極大地提升了控制效果。因此，閉環控制程序應當包含數字PI控制算法和數字PID控制算法。在主程序運行的過程中，控制算法作為中斷子程序被主程序調用。

懸浮控制器主程序的運作流程如圖4所示。主程序首先執行初始化指令。給變量賦初值，禁用看門狗，設置時鐘寄存器，啟動定時器、計數器和A/D轉換器。初始化完成后，反復檢查起浮指令輸入端口，若得到了起浮指令，懸浮控制器在程序的控制下開始執行數據采集、信號調理、控制算法子程序調用、輸出PWM脈沖等一系列操作。然后繼續詢問起浮指令輸入端，進入下一次循環。

5.2 控制算法子程序設計

懸浮控制算法子程序是實現懸浮控制的關鍵環節。控制算法子程序開始運行，首先判斷氣隙值與額定值的大小關系，根據判斷結果決定PID參數的設定，進而決定電流的變化。然后在位置環中加入電流環，運用PI控制算法，根據加速度的數值，設置相應的PI參數。加速度外環和氣隙內環共同作用，影響控制算法的輸出。這種算法具有很強的適應性和精確度。

6 結語

本文提出了數字懸浮控制器的設計方案。該方案采用雙DSP結構，DSP之間的數據通過雙口RAM實現共享和交互，使運算效率和運算速度大大提高。選用數字PID增量型算法，并引入多反饋控制的概念，確定了增加電流內環的雙閉環PID控制方案。該方案能在最大程度上滿足復雜懸浮控制系統對于實時性和精度的要求。經過仿真驗證，該方案和僅采用單塊DSP和傳統控制算法的懸浮控制器相比，在控制效果方面有了大幅提升。

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[13] Cheng Hu，Zhang Xiao，Li Yungang.Controller Design and Damping Refined Computation in EMS Maglev Train[J].Energy Procedia，2011，13：7550-7556.

[14] S. Yamamura，“Magnetic levitation technology of tracked vehicles present status and prospects，”IEEE Trans. Magn.，vol.MAG-12，no.6，pp.874-878，Nov.1976.endprint