基于DSP的機車橫向液壓半主動減振系統(tǒng)控制器的研究

摘 要：針對減小機車運行時的橫向振動及提高旅客乘坐舒適度的問題，采用DSP搭建的控制器對信號采樣、濾波、去除趨勢項、積分，減小時滯環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對機車橫向半主動液壓減振系統(tǒng)的實時控制。研究結(jié)果表明，通過對加速度傳感器得到的控制系統(tǒng)的信號分析和程序設(shè)計，所搭建的控制器完全能夠解決信號處理中遇到的關(guān)鍵問題；仿真實驗結(jié)果表明，基于DSP的控制系統(tǒng)提高了機車橫向的平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：DSP； 半主動減振器； 濾波器； 采樣頻率

中圖分類號：

TN876.3-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Study on DSP-based Controller of Locomotive Lateral Semi-active Damping System

QI Wen-da1， DING Wen-si2

(1. Guangxi Military Region Unit of 75475， Fangchenggang 538037， China； 2. China South China University of Technology， Guangzhou 510640， China)

Abstract： For solving the problems of the lateral vibration of locomotive operation and improving the passenger ride comfort， a controller based on DSP was used to sample， filter， remove the trend term and reduce the lag. The results indicate that through analyzing and programming the signal of control system obtained by the acceleration sensors， the constructed controller can solve the key problems in the signal processing. The simulation experimental results indicate that the lateral vibration stability of locomotive is immensely improved by the DSP-based control system.

Keywords： DSP; semi-active damper; filter; sampling frequency

收稿日期：2011-04-02

0 引 言

機車振動問題始終是制約鐵路高速化的一個重要因素，國外對鐵道機車車輛的主動和半主動減振技術(shù)進行了大量的研究，技術(shù)還沒有完全成熟［1-2］，目前已有部分產(chǎn)品在工程上實際運用，但從此項技術(shù)的總體發(fā)展來看仍處于研究階段。國內(nèi)針對鐵道車輛的主動及半主動研究處于剛剛起步的階段，主要集中在控制策略的研究，而采用的研究方法主要是通過仿真計算，少數(shù)研究單位針對減振器件的研究主要集中在電流變、磁流變減振器上。采用半主動控制減振系統(tǒng)是一個既能控制投資，又能改善乘坐舒適性的有效方法，半主動控制能有效改善車輛運行的平穩(wěn)性，與最優(yōu)被動懸掛相比，車體橫向加速度響應(yīng)的均方根值降低了20%～25％，加速度最大值降低約40%～50％，橫向平穩(wěn)性指標降低約10%～15％［3］。本文在初步完成橫向液壓半主動減振器設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用了DSP作為其控制器，對半主動減振系統(tǒng)進行控制。DSP芯片具有強大的數(shù)據(jù)運算處理性能，采用軟件方法實現(xiàn)硬件功能，減少了硬件之間在處理信號時的相互干擾，在A/D、濾波、去除趨勢項、控制時滯、實時處理方面都具有比其他處理器更大的優(yōu)勢。

1 橫向半主動懸掛系統(tǒng)配置

橫向半主動懸掛系統(tǒng)的配置形式如圖1所示。每個轉(zhuǎn)向架上對稱布置兩個橫向半主動減振器，每個轉(zhuǎn)向架上方的車體上安置一個橫向加速度傳感器，用于測量車體的加速度。一臺車配置四個減振器、兩個橫向加速度傳感器和一臺控制器［4］。

圖1 橫向半主動懸掛系統(tǒng)的配置圖

半主動減振器較被動式減振器的不同之處在于多了一套控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)由加速度傳感器、控制器、兩個電磁閥和一個電液比例溢流閥及相應(yīng)油路組成。天棚控制所需提供減振力的大小、方向及狀態(tài)轉(zhuǎn)換均是由電磁閥和電液比例溢流閥通過不同的狀態(tài)組合而得到。

2 控制器設(shè)計方案研究

2.1 基于DSP半主動減振器控制系統(tǒng)流程圖

半主動減振器控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 半主動減振器控制系統(tǒng)流程圖

2.2 基于DSP的A/D，D/A 轉(zhuǎn)換

一般測試到的信號均為模擬信號，而處理器只能處理數(shù)字信號，所以在模擬信號進入處理器前要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.2.1 小信號放大

初級電信號的幅度一般在微伏級。這樣小的信號，易受干擾，也不便于用ADC(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本控制系統(tǒng)中，在明確了測試信號的大小范圍后，再根據(jù)集成在DSP芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號輸入范圍，確定信號要放大的倍數(shù)。

2.2.2 信號極性分析

在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前必須先明確模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型是單極性，還是雙極性，而后再根據(jù)測試信號是單極性，還是雙極性，決定信號是否要進行單極性或雙極性處理。由于本系統(tǒng)測試到的信號是雙極性，而集成在DSP芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是單極性［5］，所以必須對直接測試到的信號進行單極性處理。處理方法就是在測試到的信號上疊加一個合適的直流信號，這樣就可把雙極信號變成單極信號。

2.2.3 抗混疊濾波

在模擬信號最終到達ADC的時候，對模擬信號要進行抗混濾波，使得通帶外的信號、干擾被抑制到足夠低的水平，這是采樣定理所要求的。

2.3 橫向振動信號分析及采樣頻率的選擇

2.3.1 橫向振動分析

由于車輛系統(tǒng)是復(fù)雜的多剛度系統(tǒng)，自由度數(shù)目多，列車在運行過程中橫向存在著多種運動形式的組合，在曲線上既有所要濾除的橫向離心加速度號，又有需要的列車本身的橫向振動信號。為了消除各種隨機振動對控制上所需的橫向加速度信號的影響，必須對加速度傳感器測出的信號進行濾波處理。車體橫向振動的頻率范圍為1~4 Hz，頻帶較窄，這個頻率帶是影響人體感受舒適度的頻帶。列車過曲線時離心加速度信號范圍的頻率僅為0.078 Hz，隨著列車運行速度的提高，其頻率將增大，但不會超過0.5 Hz，根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)資料，截止頻率應(yīng)在0.5~1 Hz之間。

2.3.2 采樣頻率分析

眾所周知，滿足不失真的條件是fs>2fh，其中，fs是采樣頻率;fh是信號最高頻率。從控制性能來考慮，采樣T應(yīng)盡可能的短，fs應(yīng)盡可能的高，但采樣頻率越高，當高到一定程度時，對控制系統(tǒng)性能的改善就不顯著了，同時它還需要運算速度高的CPU及高速的D/A和A/D轉(zhuǎn)換接口等;過短的采樣周期還會導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)新問題，而且對存儲容量的要求也就越大，控制器的工作時間和工作量也隨之增加。但是，把采樣周期取得大些，在需要控制器工作量一定時，對控制器的運行速度，D/A和A/D轉(zhuǎn)換速度的要求就可以慢些，這樣系統(tǒng)成本就會降低。反過來，如果控制器的運算速度、D/A和A/D轉(zhuǎn)換速度一定時，采樣周期大些，就可以允許控制器計算更復(fù)雜的算法，從這個角度來看，采樣周期應(yīng)取得大些，但過大的采樣周期又會使控制系統(tǒng)的性能下降［6］。因此，選取一個合適的采樣周期對控制系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

2.4 控制時滯的產(chǎn)生、影響

2.4.1 控制時滯的產(chǎn)生

采用天棚阻尼控制策略，要檢測車體橫向加速度，當中還要通過放大電路及濾波電路等硬件電路，再經(jīng)過采樣，在控制器內(nèi)還要經(jīng)過數(shù)字濾波、數(shù)字積分、矢量運算等，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化及放大器等相關(guān)電路，才能把控制信號傳給電液比例閥進行控制，再到減振器產(chǎn)生所需要的控制力，所有這些環(huán)節(jié)都需要耗費一定的時間，延遲了控制時間，造成了不可避免的時滯。時滯的產(chǎn)生環(huán)節(jié)可以總結(jié)為三個部分：

(1) 從加速度信號傳感器到開始A/D轉(zhuǎn)化(集成在DSP內(nèi))信號傳輸?shù)臅r間。

(2) 從控制器A/D轉(zhuǎn)化到D/A轉(zhuǎn)化的時間，等效于幾個采樣周期之和。

(3) 從D/A轉(zhuǎn)換輸出信號到控制力起作用的時間。

2.4.2 控制時滯對橫向半主動控制系統(tǒng)的影響

時滯對懸掛系統(tǒng)的減振性能甚至是對系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有不同程度的影響，最終以一定的總時滯體現(xiàn)在控制力上，必須把時滯量控制在最小范圍內(nèi)。對于半主動懸掛控制系統(tǒng)，時滯只引起懸掛系統(tǒng)減振性能變壞，但不會導(dǎo)致半主動懸掛系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，但是隨著時滯變大，當增大到一定程度時，半主動懸掛系統(tǒng)的性能趨向被動懸掛系統(tǒng)，這就失去了半主動的意義［7］，所以要減小時滯量，保證系統(tǒng)性能達到最佳，采用具有高速運算能力的DSP芯片后，可以更大限度地減小時滯的影響。

2.5 趨勢項的影響及消除方法。

所謂趨勢項是指在測試信號中存在線性項或緩變的非線性項成份。趨勢項的存在會使數(shù)值積分的結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差，嚴重地背離真實情況，因此，在測試信號(積分求速度、位移時)中常要先消除趨勢項，這是積分中一個重要的中間步驟。在此系統(tǒng)中測量信號的趨勢項和實際信號周期相比較要長很多，此時可以把測試到的信號進行高通濾波處理，其截止頻率應(yīng)在0.5~1 Hz之間，濾除低頻趨勢項。

2.6 基于DSP數(shù)字濾波器設(shè)計

2.6.1 濾波器選擇

從橫向振動信號分析可知，橫向振動的有用信號和噪聲信號處于不同的頻帶內(nèi)，可以選用具有線性相位的FIR濾波器，h(n)=h(N－1－n)，N為奇數(shù)，從而保證信號在傳輸過程中不會產(chǎn)生失真。由于FIR濾波器沒有遞歸結(jié)構(gòu)運算，因此不會受有限字長效應(yīng)的影響，永遠都是穩(wěn)定的，同時可節(jié)省一半的存儲空間。由于采用了DSP芯片設(shè)計控制器，為減少趨勢項的影響，濾波器過渡帶要設(shè)計得非常窄。可以設(shè)計更高階數(shù)的濾波器，雖然增加了計算量，但充分利用了數(shù)字信號處理器高運算速度的特點來彌補，用簡單的濾波器設(shè)計方法，設(shè)計出可用的高階高精度數(shù)字濾波器。

由于FIR濾波器分四種情況，這里采用的是h(n)為偶對稱，N為奇數(shù)。為此，選用N=1 101，通過Matlab仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 濾波器仿真結(jié)果

從圖3可以看出，阻帶衰減達到了90 dB，完全達到要求。

2.6.2 軟件設(shè)計［8］

這是一個乘加運算，結(jié)合DSP控制器設(shè)計一個合理的濾波程序，實現(xiàn)FIR濾波。

首先從上式可以看出h(n)與x(n)相乘的對應(yīng)關(guān)系， FIR濾波器系數(shù)h(n)與信號輸入數(shù)據(jù)x(n)保存在存儲的地址空間是不變的，并且保存FIR濾波器系數(shù)h(n)地址的內(nèi)容是不變的，而保存信號輸入數(shù)據(jù)x(n)地址的內(nèi)容是變化的，x(n)的內(nèi)容是波浪式存儲地址內(nèi)容變化的過程，即當一個新的輸入到來時，首先有這樣一個數(shù)據(jù)傳遞x(N－1)=x(N－2)，x(N－2)=x(N－3)，…，x(1)=x(0)，然后把新采樣到的數(shù)據(jù)賦給x(0)，這樣就可以連續(xù)不斷地進行濾波。

3 被動與半主動控制動力學仿真

3.1 機車仿真模型

為了解列車采用基于天棚原理的橫向半主動減振系統(tǒng)的效果，有必要對其進行模擬仿真研究。為此，建立了高速機車基于橫向被動懸掛和橫向半主動懸掛的計算機模型。考慮整車的橫向計算模型共17 個自由度：

輪對橫移及搖頭(γi，Ψωi)，i=1，4;

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫移、側(cè)滾及搖頭(γzj，Φzj，Ψzj)，j=1，2；

車體的橫移、側(cè)滾及搖頭(γt，Φt，Ψt)。

整車的動力學方程如下：

利用上述建立的高速機車模型，對國內(nèi)某型高速機車進行了高速運行下的計算機仿真，其主要參數(shù)見表1。

3.2 被動與半主動控制規(guī)則

被動控制規(guī)則：采用原有車型的被動懸掛參數(shù)，減振力計算式為：

3.3 仿真結(jié)果對比

從圖4，圖5車體橫向加速度和車體橫向速度曲線對比可以看出，半主動控制比被動控制更加平穩(wěn)，橫向振動得到了明顯的改善。根據(jù)運行平穩(wěn)性各評定等級評定指標：被動為2.894，半主動為2.764，由此也可以得出半主動控制性能比被動控制性能優(yōu)越。

圖4 被動控制規(guī)則

圖5 半主動控制規(guī)則

4 結(jié) 語

本研究把DSP芯片用于機車半主動橫向液壓減振器控制系統(tǒng)，充分利用了其強大的數(shù)字信號處理能力，對信號進行A/D、濾波、去處趨勢項等處理，通過仿真實驗取得了比被動控制更好的控制效果，這為以后機車振動控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計研究提供了一定的參考價值，并具有一定的指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻

［1］ROTH P A， LIZELL M. Lateral semi-active damping system for trains \\. Vehicle System Dynamics， 1996， 25(Suppl): 585-595.

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