基于DSP的混合懸浮控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

引言

磁懸浮列車是依靠電磁吸力或電動(dòng)斥力將列車車廂托起懸浮于空中并進(jìn)行導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)列車與地面軌道間的無(wú)機(jī)械接觸，從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制、機(jī)械噪聲和磨損等問(wèn)題，具有長(zhǎng)壽命、無(wú)污染、無(wú)噪聲、能耗低、不受任何速度限制、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。而電磁永磁混合懸浮系統(tǒng)可借助永磁體來(lái)產(chǎn)生大部分的懸浮力，從而可以減少懸浮系統(tǒng)的功耗，顯著降低懸浮電源的容量，并且懸浮氣隙可以適當(dāng)增加，使得整個(gè)系統(tǒng)更加安全，軌道梁的造價(jià)也將下降。

傳統(tǒng)的數(shù)字控制器大多采用較高檔的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算和控制，但實(shí)時(shí)性變差，難以得到較好的動(dòng)態(tài)性能。采用DSP控制，既可以保證計(jì)算和控制的實(shí)時(shí)性，又能充分發(fā)揮數(shù)字控制的諸多優(yōu)點(diǎn)。

混合懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

為了更方便地研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將該系統(tǒng)的物理模型簡(jiǎn)化為圖1所示的形狀。

圖1 混合懸浮系統(tǒng)的分析模型

在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析之前首先做如下假設(shè)：忽略永磁體內(nèi)部的漏磁通。

則混合懸浮系統(tǒng)電學(xué)和力學(xué)方程為：

其中，為懸浮質(zhì)量，為電磁力，為外部干擾力，和分別為電磁鐵電壓和電流，為電磁鐵線圈匝數(shù)，為線圈電阻，為有效磁面積，為等效氣隙，為實(shí)際懸浮氣隙，為真空磁導(dǎo)率，為鐵心磁導(dǎo)率，為磁路在鐵心和軌道中的總長(zhǎng)度，為永磁體的剩余矯頑力，為永磁體的剩磁，為永磁體的厚度。

式(1)～(3)所得方程為非線性方程，難以精確求出方程解，若對(duì)方程進(jìn)行平衡點(diǎn)附近線性化處理，可得：

其中， 和分別為電磁鐵電壓和電流相對(duì)平衡點(diǎn)的增量;表示氣隙變化單位值時(shí)，磁力的變化值;表示線圈電流變化單位值時(shí)，磁力的變化值;表示混合磁鐵在平衡點(diǎn)處的電感。

選取位移、速度和加速度為狀態(tài)變量，則系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

開(kāi)環(huán)電磁永磁混合懸浮系統(tǒng)在工作點(diǎn)處線性化后的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

其中，狀態(tài)向量取為：，z為氣隙誤差。

懸浮控制器的硬件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)混合懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮，必須根據(jù)電磁鐵的各種狀態(tài)對(duì)電磁鐵的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際上這是通過(guò)改變電磁鐵的輸入電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；旌蠎腋∠到y(tǒng)的控制框圖如圖2所示。

圖2 懸浮控制器的原理框圖

對(duì)懸浮控制的最基本要求是控制系統(tǒng)要具有快速響應(yīng)、動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)、抗干擾好的性能特點(diǎn)，其中抗干擾性尤為重要。控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以全部采用模擬電路，也可以采用以數(shù)字電子計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字電路。模擬電路運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性好，但控制精度低、受外界環(huán)境影響大，且不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，調(diào)試?yán)щy。

DSP

DSP器件是一種特別適用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，以DSP器件為核心的控制系統(tǒng)具有非?？斓臄?shù)據(jù)處理能力和良好的擴(kuò)展能力，克服了模擬控制器和以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制器的缺陷。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制技術(shù)，控制電路的硬件包括:輸人信號(hào)的調(diào)理，信號(hào)、開(kāi)關(guān)量的量化與采集，控制運(yùn)算主電路及其輸出信號(hào)與其他器件信號(hào)之間的接口電路等。采用TI公司的最新產(chǎn)品TMS320LF240A DSP作為控制電路的中央計(jì)算電路，并且產(chǎn)生PWM波形輸出。

斬波器

懸浮控制要求反映動(dòng)作快，為減小斬波器所具有的滯后性，要求所選用的斬波器具有較高的輸出電流變化率且安全可靠。考慮到流過(guò)磁極的電流有兩種相反的方向，因此懸浮磁極的驅(qū)動(dòng)斬波器選用全橋斬波器——H型斬波器。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，擬采用兩電平調(diào)制，即開(kāi)關(guān)T1和T3的開(kāi)關(guān)信號(hào)相同而開(kāi)關(guān)T2和T4的開(kāi)關(guān)信號(hào)相同，為避免直流貫通，T1(T3)的開(kāi)關(guān)信號(hào)與T2(T4)的開(kāi)關(guān)信號(hào)之間有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)。

圖3 懸浮斬波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

前級(jí)處理電路

前級(jí)處理電路其主要功能是完成傳感器信號(hào)的放大，與基準(zhǔn)信號(hào)的比較，以及信號(hào)的轉(zhuǎn)換，濾波。由于沒(méi)有采用速度傳感器，而通過(guò)軟件方法獲得的信號(hào)又不能令人滿意，可設(shè)計(jì)對(duì)氣隙信號(hào)進(jìn)行微分處理的微分電路，如圖4所示。

圖4 微分電路

此電路的輸入與輸出關(guān)系為：

A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換兩種功能，它是在TMS320LF2407A微處理器控制下完成操作的。本文采用MAX125芯片實(shí)現(xiàn)這一部分功能。

根據(jù)MAX125接口電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖5所示與TMS320LF2407A的接口電路。

D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換電路選用TI公司的高性能D/A轉(zhuǎn)換器TLC7225，它片內(nèi)包含四路8位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，每個(gè)DAC都有分離的片內(nèi)鎖存器。數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)公共的8位TTL/CMOS兼容(5V)輸入口送入這些數(shù)據(jù)寄存器之一。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

混合懸浮系統(tǒng)的參數(shù)如下所示：

圖6 混合懸浮系統(tǒng)慢起浮氣隙實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為懸浮系統(tǒng)慢浮起過(guò)程的示波器記錄?；旌蠎腋∠到y(tǒng)初始機(jī)械氣隙為0.02m，穩(wěn)定懸浮機(jī)械氣隙為0.015m。

圖7給出了混合懸浮系統(tǒng)慢起浮電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

X軸：2.00s/div;Y軸：2.00V/div 電流鉗：100mV/A

圖7 混合懸浮系統(tǒng)慢起浮電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該硬件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁鐵的穩(wěn)定懸浮。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的純電磁懸浮系統(tǒng)相比，電磁和永磁組成的混合懸浮系統(tǒng)在相同懸浮功率的情況下可實(shí)現(xiàn)大氣隙懸浮，即可達(dá)到20mm左右的懸浮氣隙，這可降低車載蓄電池容量和重量，降低列車的自重，增加有效載荷，因而可以降低軌道精度要求，從而降低軌道工程造價(jià)。該系統(tǒng)采用以TMS320LF2407A為核心的懸浮控制電路，具有非常快的數(shù)據(jù)處理能力，克服了模擬控制器和以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制器的缺陷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

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