磁悬浮列车悬浮控制器设计

叶晟季

摘 要：本文旨在实现磁悬浮列车的悬浮控制。首先，根据单电磁铁模型、反馈控制算法等理论研究，对悬浮控制进行了可行性分析。通过建立单电磁铁悬浮模型，分析得出了磁悬浮系统的传递函数，并选取PID算法作为核心的反馈控制算法。其次，围绕数字化悬浮控制的工程实现展开探讨。提出了数字悬浮控制器的软硬件设计方案。该数字悬浮控制器采用两片DSP处理芯片，并整合了若干外围模块，可完成信号的采集、控制算法的执行和控制信号的发生，具备较强的控制性能。

关键词：磁悬浮 悬浮控制 单电磁铁模型 数字控制器 DSP

中图分类号：TP273+.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0091-03

1 单电磁铁悬浮系统模型

磁悬浮列车磁转向架的两侧分别安装了由四个电磁铁组成的模块，每个模块的运动方式有六个自由度[5]。对系统进行解耦，可以得到单个电磁铁悬浮系统的模型。对其单独实施控制，便可实现对整个系统的复杂运动的控制。

1.1 单电磁铁模型的建立

经分析，单电磁铁悬浮动态模型原理图如图1所示。

（1）由磁场储能方程及电磁力与磁场能量关系的方程，得电磁吸引力F（i，c）的表达式为：

（2）电磁铁绕组回路电压方程为：

（3）在电磁铁垂直方向上进行受力分析，可得出如下方程：

1.2 传递函数的建立

联立上述方程，得到励磁线圈电流i（t）和气隙c（t）之间复杂的非线性关系。由于系统稳定工作时工作范围较小，将该方程在平衡点附近线性化处理。经推导，得到传递函数G（s）：

已知某实验平台的悬浮架参数如表1所示：

已知悬浮架m=2900 kg，N=500，A=750×30，指定平衡点气隙8 mm，可以求得，，代入得到列车空载时的开环传递函数为：

解出特征方程得到两个开环极点，其中一个位于右半平面，系统不稳定，需引入反馈控制。

2 PID反馈控制技术

PID控制算法简单，参数易整定，抗干扰能力强、可靠性高。实际经验和理论分析均表明，该控制规律对大多数工业过程有较好的控制效果。

2.1 模拟PID控制

模拟PID控制器的传递函数模型为：

其中：为比例增益；为积分时间常数；为微分时间常数。

引入PID控制器后，系统的闭环控制系统的闭环传递函为：

=

闭环特征方程为1+D（s）G（s）=0，可利用极点配置法，按照控制要求设计出PID控制器D（s）中各个环节的参数。但采用极点配置或最优控制理论设计出的PID参数往往和实际值有偏差，所以要确定最优的PID控制的参数，还需要现场整定。

2.2 数字PID控制器设计

数字悬浮控制器因其运算速度快、编程灵活等优点，被广泛应用。数字PID控制算法应运而生。由于数字PID位置型算法涉及到累加运算，需占用较多的存储空间，因此，本设计选用数字PID增量型控制算法，增量型控制算法的优势在于：（1）无需做累加计算。（2）不会产生大量的累计误差。其表达式如下：

2.3 数字PID控制器的改进

在设计数字PID控制器时，只有充分发挥DSP运算速度快、逻辑判断能力强，编程灵活等优势，才能在控制性能上超越模拟控制器。传统的PID控制是单反馈控制，虽然能使系统达到无静差控制，但往往无法兼顾快速响应和静态稳定性。因此，引入多反馈PID控制技术。多反馈PID控制技术是指在传统PID控制的基础上，将影响系统稳定性的其他参变量也纳入监控之中，并将这些参变量的变化直接引入控制逻辑，做出相应的控制应对。该改进可加强系统的控制效果、安全性和智能性。

3 磁悬浮列车悬浮状态分析

3.1 气隙的动态变化

中低速磁悬浮列车采用电磁吸引力作为悬浮力。当电磁铁没有通电时，磁悬浮列车落在导轨上，悬浮气隙最大。电磁铁通电后，由于导轨和磁铁间的吸引力，列车被吸起。且气隙越小，吸引力越大，所以必须适时地减小电磁铁的励磁电流以减小吸引力，否则列车将被牢牢吸在导轨上。电磁悬浮装置的目的是让列车稳定地悬浮于平衡位置Co。稳定悬浮时，气隙在平衡位置附近周期变化，如图2所示。

3.2 励磁电流控制

电磁铁与导轨之间的吸引力大小由电磁铁线圈上通过的励磁电流决定的。励磁电流由全桥结构H型斩波电路产生。桥的两臂分别由全控型器件、和二极管、构成，负载（电磁铁线圈）可以用L和R的串联电路等效负载。C为电容。PWM脉冲发生器产生导通信号，控制IGBT的导通角，以控制输出电流的大小，起到调节悬浮力的作用。

4 悬浮数字控制器的硬件设计

4.1 数字悬浮控制系统总体方案

悬浮控制器采用型号为TMS320F2812的DSP处理芯片作为主控芯片。其运算精度高、速度快、参数修改和调试方便、外设接口丰富，具有一定的数字信号处理能力和强大的控制功能，能够快速、大批量地处理数据，很适合悬浮控制场合。

基于两块DSP芯片设计的悬浮控制器如图3所示，它包含了多个模块。悬浮控制由各个模块协同工作来完成。首先，传感器将检测到的气隙大小、电磁铁运动加速度、励磁电流等信号转化成相应大小的电流信号，送至运放滤波电路中滤除高次谐波，再送至调理电路中调节其幅值，然后送到A/D转换芯片输入端进行模-数转换并输出到第一块DSP芯片中。第一块DSP芯片负责数据采集及预处理，并存入双端口RAM中供第二块DSP芯片读取。第二块DSP芯片主要负责算法分析和数据计算，并输出对应占空比的PWM脉冲，PWM经过驱动电路放大并控制斩波电路中IGBT的关断与导通，完成对电磁力大小的控制。endprint

4.2 悬浮控制器各模块设计

（1）主电路设计。

因磁悬浮系统的非线性特性，悬浮控制的数据计算量很大。同时，悬浮系统的对控制器的快速性有较高的要求。TMS320F2812作为一款专门用于控制的高性能定点DSP处理芯片，具有很强的实时性和快速性，能够满足上述要求。主电路由两块TMS320F

2812 DSP处理芯片组成。两者互相配合，协同工作，大大提高了运算效率和运算速度，满足了复杂悬浮控制系统对于精度和实时性的要求。

（2）各外围电路的设计。

①滤波电路。

传感器采集到电流、气隙、加速度三路信号需要进行适当处理，最终转换为数字信号。外界电路可能产生高频噪声，这种高频噪声叠加在传感器的信号之上，会造成信号混叠现象。悬浮控制系统对数据可靠性的要求较高，所以需要对信号进行滤波。滤波器能抗混叠、去除噪声，提高系统精度。

②信号调理电路。

信号经过滤波电路滤波后，还需要经过调理电路进行适当调理，使信号的电流或电压满足A/D转换器输入端的输入要求。调理电路主要功能为比例缩小和平移，调理后的模拟信号的电压范围为0～3 V。

③A/D转换器。

本文的控制器设计方案中采用外置A/D转换器AD7864AS，目的是减轻DSP处理芯片的负担，提高其处理能力。

④外部扩展存储器。

外部扩展存储器采用IDT70V24L芯片，这款芯片提供了两个独立的的端口，它们有各自独立的控制源、地址和I/O引脚，可以保证读写互相独立、同步进行。

⑤驱动电路。

DSP产生的PWM脉冲，由I/O口发出，经电平转换芯片及光耦隔离电路，由驱动芯片进行幅值放大，以达到IGBT的导通要求。

5 悬浮控制器的软件设计

5.1 主程序总体设计

悬浮控制器主程序所做的工作主要有初始化操作、A/D转换、定时器设置、中断处理、子程序调用。程序运行主要包括三个环节，分别是电磁铁位置确定、系统开环启动和闭环控制。当中，闭环控制程序的设计最为关键。

电流内环的PI控制和位置外环的PID控制一起，构成了悬浮控制器的闭环控制部分。内环和外环共同作用，可以极大地提升了控制效果。因此，闭环控制程序应当包含数字PI控制算法和数字PID控制算法。在主程序运行的过程中，控制算法作为中断子程序被主程序调用。

悬浮控制器主程序的运作流程如图4所示。主程序首先执行初始化指令。给变量赋初值，禁用看门狗，设置时钟寄存器，启动定时器、计数器和A/D转换器。初始化完成后，反复检查起浮指令输入端口，若得到了起浮指令，悬浮控制器在程序的控制下开始执行数据采集、信号调理、控制算法子程序调用、输出PWM脉冲等一系列操作。然后继续询问起浮指令输入端，进入下一次循环。

5.2 控制算法子程序设计

悬浮控制算法子程序是实现悬浮控制的关键环节。控制算法子程序开始运行，首先判断气隙值与额定值的大小关系，根据判断结果决定PID参数的设定，进而决定电流的变化。然后在位置环中加入电流环，运用PI控制算法，根据加速度的数值，设置相应的PI参数。加速度外环和气隙内环共同作用，影响控制算法的输出。这种算法具有很强的适应性和精确度。

6 结语

本文提出了数字悬浮控制器的设计方案。该方案采用双DSP结构，DSP之间的数据通过双口RAM实现共享和交互，使运算效率和运算速度大大提高。选用数字PID增量型算法，并引入多反馈控制的概念，确定了增加电流内环的双闭环PID控制方案。该方案能在最大程度上满足复杂悬浮控制系统对于实时性和精度的要求。经过仿真验证，该方案和仅采用单块DSP和传统控制算法的悬浮控制器相比，在控制效果方面有了大幅提升。

参考文献

[1] 李莎，许贤泽.基于反馈线性化的磁悬浮控制器设计[J].微计算机信息，2008，24（34）：304-305.

[2] 李云钢.EMS型磁浮列车悬浮控制技术研究[D].国防科学技术大学，1997.

[3] 张翼.基于DSP的磁浮列车悬浮控制器的研究[D].西南交通大学，2006.

[4] 徐渠.磁悬浮系统的控制研究[J].科技创新导报，2008（36）：3.

[5] 陈磊.高温超导EMS型混合悬浮控制器的研究与设计[D].浙江大学电气工程学院，2007.

[6] 孔峰.微型计算机控制技术[M].重庆大学出版社，2003，1.

[7] 姚卫丰.磁浮列车H型悬浮斩波器的改进[J].电气自动化，2001，23（5）：25-27.

[8] 马永军，刘霞.DSP原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2008，6：182.

[9] 谢青红.TMS320F2812 DSP原理及其在运动控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2009：30-82.

[10] 李云钢.磁浮列车单铁悬浮研究[D].国防科学技术大学，1994.

[11] 袁安富.自动控制原理[M].清华大学出版社，2008，8：341.

[12] 李云钢，陈强，张琨，等.磁悬浮列车数字式悬浮控制器应用研究[J].机车电传动，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 悬浮控制器各模块设计

（1）主电路设计。

因磁悬浮系统的非线性特性，悬浮控制的数据计算量很大。同时，悬浮系统的对控制器的快速性有较高的要求。TMS320F2812作为一款专门用于控制的高性能定点DSP处理芯片，具有很强的实时性和快速性，能够满足上述要求。主电路由两块TMS320F

2812 DSP处理芯片组成。两者互相配合，协同工作，大大提高了运算效率和运算速度，满足了复杂悬浮控制系统对于精度和实时性的要求。

（2）各外围电路的设计。

①滤波电路。

传感器采集到电流、气隙、加速度三路信号需要进行适当处理，最终转换为数字信号。外界电路可能产生高频噪声，这种高频噪声叠加在传感器的信号之上，会造成信号混叠现象。悬浮控制系统对数据可靠性的要求较高，所以需要对信号进行滤波。滤波器能抗混叠、去除噪声，提高系统精度。

②信号调理电路。

信号经过滤波电路滤波后，还需要经过调理电路进行适当调理，使信号的电流或电压满足A/D转换器输入端的输入要求。调理电路主要功能为比例缩小和平移，调理后的模拟信号的电压范围为0～3 V。

③A/D转换器。

本文的控制器设计方案中采用外置A/D转换器AD7864AS，目的是减轻DSP处理芯片的负担，提高其处理能力。

④外部扩展存储器。

外部扩展存储器采用IDT70V24L芯片，这款芯片提供了两个独立的的端口，它们有各自独立的控制源、地址和I/O引脚，可以保证读写互相独立、同步进行。

⑤驱动电路。

DSP产生的PWM脉冲，由I/O口发出，经电平转换芯片及光耦隔离电路，由驱动芯片进行幅值放大，以达到IGBT的导通要求。

5 悬浮控制器的软件设计

5.1 主程序总体设计

悬浮控制器主程序所做的工作主要有初始化操作、A/D转换、定时器设置、中断处理、子程序调用。程序运行主要包括三个环节，分别是电磁铁位置确定、系统开环启动和闭环控制。当中，闭环控制程序的设计最为关键。

电流内环的PI控制和位置外环的PID控制一起，构成了悬浮控制器的闭环控制部分。内环和外环共同作用，可以极大地提升了控制效果。因此，闭环控制程序应当包含数字PI控制算法和数字PID控制算法。在主程序运行的过程中，控制算法作为中断子程序被主程序调用。

悬浮控制器主程序的运作流程如图4所示。主程序首先执行初始化指令。给变量赋初值，禁用看门狗，设置时钟寄存器，启动定时器、计数器和A/D转换器。初始化完成后，反复检查起浮指令输入端口，若得到了起浮指令，悬浮控制器在程序的控制下开始执行数据采集、信号调理、控制算法子程序调用、输出PWM脉冲等一系列操作。然后继续询问起浮指令输入端，进入下一次循环。

5.2 控制算法子程序设计

悬浮控制算法子程序是实现悬浮控制的关键环节。控制算法子程序开始运行，首先判断气隙值与额定值的大小关系，根据判断结果决定PID参数的设定，进而决定电流的变化。然后在位置环中加入电流环，运用PI控制算法，根据加速度的数值，设置相应的PI参数。加速度外环和气隙内环共同作用，影响控制算法的输出。这种算法具有很强的适应性和精确度。

6 结语

本文提出了数字悬浮控制器的设计方案。该方案采用双DSP结构，DSP之间的数据通过双口RAM实现共享和交互，使运算效率和运算速度大大提高。选用数字PID增量型算法，并引入多反馈控制的概念，确定了增加电流内环的双闭环PID控制方案。该方案能在最大程度上满足复杂悬浮控制系统对于实时性和精度的要求。经过仿真验证，该方案和仅采用单块DSP和传统控制算法的悬浮控制器相比，在控制效果方面有了大幅提升。

参考文献

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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

4.2 悬浮控制器各模块设计

（1）主电路设计。

因磁悬浮系统的非线性特性，悬浮控制的数据计算量很大。同时，悬浮系统的对控制器的快速性有较高的要求。TMS320F2812作为一款专门用于控制的高性能定点DSP处理芯片，具有很强的实时性和快速性，能够满足上述要求。主电路由两块TMS320F

2812 DSP处理芯片组成。两者互相配合，协同工作，大大提高了运算效率和运算速度，满足了复杂悬浮控制系统对于精度和实时性的要求。

（2）各外围电路的设计。

①滤波电路。

传感器采集到电流、气隙、加速度三路信号需要进行适当处理，最终转换为数字信号。外界电路可能产生高频噪声，这种高频噪声叠加在传感器的信号之上，会造成信号混叠现象。悬浮控制系统对数据可靠性的要求较高，所以需要对信号进行滤波。滤波器能抗混叠、去除噪声，提高系统精度。

②信号调理电路。

信号经过滤波电路滤波后，还需要经过调理电路进行适当调理，使信号的电流或电压满足A/D转换器输入端的输入要求。调理电路主要功能为比例缩小和平移，调理后的模拟信号的电压范围为0～3 V。

③A/D转换器。

本文的控制器设计方案中采用外置A/D转换器AD7864AS，目的是减轻DSP处理芯片的负担，提高其处理能力。

④外部扩展存储器。

外部扩展存储器采用IDT70V24L芯片，这款芯片提供了两个独立的的端口，它们有各自独立的控制源、地址和I/O引脚，可以保证读写互相独立、同步进行。

⑤驱动电路。

DSP产生的PWM脉冲，由I/O口发出，经电平转换芯片及光耦隔离电路，由驱动芯片进行幅值放大，以达到IGBT的导通要求。

5 悬浮控制器的软件设计

5.1 主程序总体设计

悬浮控制器主程序所做的工作主要有初始化操作、A/D转换、定时器设置、中断处理、子程序调用。程序运行主要包括三个环节，分别是电磁铁位置确定、系统开环启动和闭环控制。当中，闭环控制程序的设计最为关键。

电流内环的PI控制和位置外环的PID控制一起，构成了悬浮控制器的闭环控制部分。内环和外环共同作用，可以极大地提升了控制效果。因此，闭环控制程序应当包含数字PI控制算法和数字PID控制算法。在主程序运行的过程中，控制算法作为中断子程序被主程序调用。

悬浮控制器主程序的运作流程如图4所示。主程序首先执行初始化指令。给变量赋初值，禁用看门狗，设置时钟寄存器，启动定时器、计数器和A/D转换器。初始化完成后，反复检查起浮指令输入端口，若得到了起浮指令，悬浮控制器在程序的控制下开始执行数据采集、信号调理、控制算法子程序调用、输出PWM脉冲等一系列操作。然后继续询问起浮指令输入端，进入下一次循环。

5.2 控制算法子程序设计

悬浮控制算法子程序是实现悬浮控制的关键环节。控制算法子程序开始运行，首先判断气隙值与额定值的大小关系，根据判断结果决定PID参数的设定，进而决定电流的变化。然后在位置环中加入电流环，运用PI控制算法，根据加速度的数值，设置相应的PI参数。加速度外环和气隙内环共同作用，影响控制算法的输出。这种算法具有很强的适应性和精确度。

6 结语

本文提出了数字悬浮控制器的设计方案。该方案采用双DSP结构，DSP之间的数据通过双口RAM实现共享和交互，使运算效率和运算速度大大提高。选用数字PID增量型算法，并引入多反馈控制的概念，确定了增加电流内环的双闭环PID控制方案。该方案能在最大程度上满足复杂悬浮控制系统对于实时性和精度的要求。经过仿真验证，该方案和仅采用单块DSP和传统控制算法的悬浮控制器相比，在控制效果方面有了大幅提升。

参考文献

[1] 李莎，许贤泽.基于反馈线性化的磁悬浮控制器设计[J].微计算机信息，2008，24（34）：304-305.

[2] 李云钢.EMS型磁浮列车悬浮控制技术研究[D].国防科学技术大学，1997.

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[5] 陈磊.高温超导EMS型混合悬浮控制器的研究与设计[D].浙江大学电气工程学院，2007.

[6] 孔峰.微型计算机控制技术[M].重庆大学出版社，2003，1.

[7] 姚卫丰.磁浮列车H型悬浮斩波器的改进[J].电气自动化，2001，23（5）：25-27.

[8] 马永军，刘霞.DSP原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2008，6：182.

[9] 谢青红.TMS320F2812 DSP原理及其在运动控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2009：30-82.

[10] 李云钢.磁浮列车单铁悬浮研究[D].国防科学技术大学，1994.

[11] 袁安富.自动控制原理[M].清华大学出版社，2008，8：341.

[12] 李云钢，陈强，张琨，等.磁悬浮列车数字式悬浮控制器应用研究[J].机车电传动，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