一種基于數字信號處理器和現場可編程門陣列的磁懸浮控制器
徐俊起，吳小東
（上海磁浮交通發展有限公司，上海201 204）
摘要：為增強控制系統對磁懸浮列車系統參數變化的適應性、抑制車軌共振，磁懸浮控制器通常采用雙環控制的方法。隨著高速數字信號處理器( dsp)的出現，磁懸浮控制器實現了數字化。在詳細分析各種數字化磁懸浮控制器的基礎上，提出了一種新型的適用于雙環控制的基于dsp和現場可編程門陣列(fpga)的磁懸浮控制器，并進行了軟、硬件設計和試驗驗證。理論分析和試驗結果表明：該控制器結構簡單合理、高速有效，能夠完成先進的懸浮控制算法。
關鍵詞：雙環控制：數字信號處理器；現場可編程門陣列；磁懸浮控制器；數字控制
中國分類號：tm 301.2文獻標志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0042-04
0 引 言
為增強控制系統對磁懸浮列車系統參數變化的適應性、抑制車軌共振，磁懸浮控制器通常采用雙環控制，即把磁懸浮控制器分為電流環子控制器和位置環子控制器，如圖1所示：位置環由間隙信號測量值s和給定間隙值sref組成；電流環由電流信號測量值和給定電流值iref，組成。文獻[1]提出將磁息浮系統分解為電流環和懸浮子控制系統兩個串行、解耦的子系統來設計控制器；文獻[2]提出將懸浮系統分為電流環和位置環進行控制，并設計了以tms320f2407數字信號處理器（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作了研究，并設計了實用模擬電流環電路；文獻[4]對磁懸浮列車懸浮控制器的電流環進行了深入研究，并提出了次速電流環的概念；文獻[5]對磁懸浮控制器數字化進行了分析，并采用mc80c196單片機予以實現；文獻[6]用dsp實現了磁懸浮控制器。
在磁懸浮控制系統中，電流環控制非常重要，系統降階的依據就是電流環具有足夠快的速度。但是，在電流環調節過程中，由于電磁鐵線圈電感和電阻不斷變化，因此電流環的系統參數不是固定的。另外，由于電流環是內環，位置環是外環，要求電流環比位置環具有更快的速度。
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、參數調整困難等方面的缺點。隨著dsp等的應用，數字化磁懸浮控制器得到了廣泛推廣，并且隨著雙環控制理論的應用，出現了三種數字磁懸浮控制器結構：第一種是半數字化結構的控制器，即位置環采用dsp實現，電流環采用模擬電路實現；第二種是用單個dsp實現位置環和電流環的數字雙環單dsp控制器；第三種是雙dsp結構的磁懸浮控制器，即用一個dsp實現電流環控制，另一個dsp實現位置環控制。
本文對各種數字磁懸浮控制器進行分析，提出了一種結構簡單、性能優越，更適合于雙環控制的基于dsp和現場可編程門陣列(fpca)的新型磷懸浮控制器。
1 數字雙環單dsp磁懸浮控制器
第一種半數字化結構磁懸浮控制器還沒有完全實現電流環的數字化，存在明顯不足，這里不作詳細分析。本文重點分析數字雙環單dsp控制器和雙dsp結構的磁懸浮控制器。
數字雙環單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內部自帶的片內ad芯片轉換誤差較大、抗干擾能力較弱，對于懸浮控制器這種采樣精度要求較高，且工作環境比較惡劣的情況，其片內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雜可編程邏輯控制器(cpld)實現。
這種數字雙環單dsp控制器雖然能夠實現位置環和電流環的數字化控制，但存在以下缺點：
(1)采樣頻率必須以電流環采樣速度為準，需要保持高采樣速度；
(2)控制周期必須以電流環控制周期為準，保持高速運行，系統負荷重；
(3)在軟件設計上，電流環和位置環不能完全解耦，調試困難；
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