基于DSP的單鐵磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐曉丹，何 青，聶 煥，廖景雯，胡淑怡

(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引言

中低速磁懸浮列車是我國新型綠色出行方式，是未來城市交通發(fā)展的重要方向。目前中低速磁浮列車主要采用了電磁型磁懸浮系統(tǒng)(Electric Magnetic Suspension，EMS)，由于該系統(tǒng)為非線性時(shí)變系統(tǒng)，需要通過外加主動(dòng)調(diào)節(jié)來保持懸浮系統(tǒng)電磁力浮力穩(wěn)定狀態(tài)。磁懸浮系統(tǒng)控制器是穩(wěn)定懸浮的關(guān)鍵技術(shù)，決定是否具備懸浮條件以及直接影響懸浮控制效果。佘龍華等對(duì)磁懸浮列車磁懸浮控制系統(tǒng)通過機(jī)械解耦的方式轉(zhuǎn)化為單鐵懸浮控制的方案展開磁懸浮系統(tǒng)控制問題研究。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)單鐵磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，簡化了低速磁浮列車懸浮控制問題研究，設(shè)計(jì)與使用磁懸浮實(shí)物裝置進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)一步驗(yàn)證自主設(shè)計(jì)的控制器可行性。

1 磁懸浮控制原理及其模型

磁懸浮控制原理在于利用通過電磁鐵線圈繞組的電流，使繞組產(chǎn)生與導(dǎo)軌相互吸引的電磁力，與車廂本身的重力相互平衡以達(dá)到支撐車廂的懸浮狀態(tài)，主要通過傳感器采集電流、間隙等反饋信號(hào)傳送至控制器，控制器判斷實(shí)際數(shù)據(jù)與懸浮給定值差值進(jìn)行調(diào)整控制，最終使得電磁鐵整體懸浮，如圖1所示。

圖1 單鐵磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

若漏磁通量、鐵磁阻大小、導(dǎo)軌的磁阻大小忽略不計(jì)，其數(shù)學(xué)模型如下。

(1)

(2)

(3)

式中：符號(hào)z(t)為懸浮間距即電磁鐵與鋼軌之間的距離；i(t)是電磁鐵線圈電流大小；F(i，z)表示電磁力大小；Δi為電流的變化量、Δz為氣隙的變化量；懸浮平衡點(diǎn)(i0，z0)；電磁鐵及其承載的總質(zhì)量為m；重力加速度為g；A為鐵芯極面積；N為電磁鐵線圈匝數(shù)；R為電磁鐵線圈電阻；μ0為空氣中的總磁導(dǎo)率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制兩大模塊構(gòu)成。機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊由電磁鐵、支架、軸承等部分組成；電氣控制模塊是以DSP控制芯片為核心及其外圍模塊電路部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—底座；2—鋼架；3—鋼軌；4—支架和軸承；5—銅線圈和鐵線構(gòu)成的繞組(電磁鐵)；6—傳感器和固定傳感器所用的支架。圖2 單鐵懸浮軌道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)3D模型圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵精確、穩(wěn)定的控制，磁懸浮系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)以DSP芯片為核心控制，使用電源模塊為各個(gè)模塊供電，主要包括傳感器信號(hào)采集電路、電磁鐵電路、保護(hù)電路、故障處理電路、通信電路等。綜合考慮芯片性能、內(nèi)部存儲(chǔ)空間大小，最終確定選取型號(hào)DSP TMS320F28335芯片作為磁懸浮系統(tǒng)的主控芯片。

傳感器模塊、間隙傳感器選擇電容式金屬距離傳感器，即導(dǎo)軌作為被檢測的對(duì)象，傳感器本身檢測表面和外界之間構(gòu)成的電容器，存在初始振蕩、停振狀態(tài)，當(dāng)測量表面間距逐漸減小，傳輸回路電容量變化，狀態(tài)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)，最終以電信號(hào)的形式將兩種狀態(tài)輸出，進(jìn)而反饋出具體距離；加速度傳感器，選擇壓電加速度傳感器，具體選型為SA-IEC500；該傳感器在壓電加速度傳感器電荷輸出端接一個(gè)以場效應(yīng)管為核心的IEPE電路，利用同一根線對(duì)其輸出和恒流源進(jìn)行供電，以一個(gè)直流量級(jí)為基礎(chǔ)疊加一交流(振動(dòng))信號(hào)，以此來實(shí)現(xiàn)加速度的測量。

電磁鐵控制電路模塊，懸浮電流控制采用方形波式控制方式，輸出電路設(shè)計(jì)上選用H橋作為輸出電路，利用維持下橋接地MOS管的導(dǎo)通，控制上橋300 V與地的MOS管相互導(dǎo)通，可讓電路輸出300 V、0 V，并且可通過死區(qū)設(shè)置防止上下橋同時(shí)導(dǎo)通而使電路元器件燒毀。MOS管的選擇為IPB60R099C6，其漏-源極最高可通過650 V的電壓、導(dǎo)通阻值為0.099 Ω，通斷周期為110 ns，符合系統(tǒng)對(duì)開關(guān)元件電壓、頻率的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 雙閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)

建立被控對(duì)象，控制器的搭建分為內(nèi)環(huán)及外環(huán)，內(nèi)環(huán)的PI控制器由比例控制與積分控制組成，通過比例與積分控制消除誤差從而達(dá)到給定位置穩(wěn)定；外環(huán)采取梯形積分模糊PID控制器。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要在于通過判斷電磁鐵的懸浮狀態(tài)來調(diào)用控制子程序?qū)崿F(xiàn)電磁鐵懸浮。首先，系統(tǒng)初始化，配置外設(shè)引腳，對(duì)設(shè)定變量給定地址以及賦值。其次，進(jìn)行使能中斷，開啟定時(shí)器、啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，以設(shè)定初始值驅(qū)動(dòng)控制電磁鐵起浮。最后，通過讀取到的實(shí)時(shí)電磁鐵狀態(tài)數(shù)據(jù)，如間隙距離、加速度等重要數(shù)據(jù)判斷懸浮位置，調(diào)整輸出控制信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體測試

4.1 平臺(tái)整體功能測試

在完成系統(tǒng)各個(gè)模塊單獨(dú)調(diào)試基礎(chǔ)上，將電磁鐵各模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體組裝，經(jīng)過整體平臺(tái)測試，測試結(jié)果顯示性能良好。各模塊依次是電源板提供電源供給接收控制板的PWM控制信號(hào)；控制板輸出PWM信號(hào)和接收處理信號(hào)；電磁鐵由電源板輸出的電流控制懸浮；采集電磁鐵狀態(tài)的傳感器與顯示狀態(tài)的示波器，實(shí)物結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖

4.2 懸浮控制算法測試

采取內(nèi)環(huán)PI控制器、外環(huán)梯形積分模糊PID控制算法進(jìn)行了懸浮控制的實(shí)驗(yàn)，測量電磁鐵浮起狀態(tài)的間隙、電流波形圖如圖4所示。

圖4 電磁鐵浮起間隙、電流波形圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果下降時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量參數(shù)顯示，具有較高控制精度，且改善電流抖動(dòng)；加入負(fù)載后抖動(dòng)問題得到了明顯的改善，動(dòng)態(tài)性能、魯棒性有明顯提升。

5 結(jié)語

以磁懸浮列車懸浮控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過機(jī)械解耦，對(duì)單鐵磁懸浮控制系統(tǒng)開展硬件與軟件設(shè)計(jì)，搭建實(shí)物平臺(tái)并進(jìn)行了整體測試。采用基于梯形積分模糊PID控制算法進(jìn)行了懸浮控制的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該平臺(tái)在系統(tǒng)性能、控制精度方面均實(shí)現(xiàn)了較好的效果，滿足不同控制算法實(shí)驗(yàn)需求，為后續(xù)開展磁懸浮控制系統(tǒng)研究提供一個(gè)實(shí)用專業(yè)平臺(tái)。