基于DSP的單鐵磁懸浮實驗平臺設計與實現

唐曉丹，何 青，聶 煥，廖景雯，胡淑怡

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，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(Electric Magnetic Suspension，EMS)，由于該系統為非線性時變系統，需要通過外加主動調節來保持懸浮系統電磁力浮力穩定狀態。磁懸浮系統控制器是穩定懸浮的關鍵技術，決定是否具備懸浮條件以及直接影響懸浮控制效果。佘龍華等對磁懸浮列車磁懸浮控制系統通過機械解耦的方式轉化為單鐵懸浮控制的方案展開磁懸浮系統控制問題研究。

本文設計了一個單鐵磁懸浮實驗平臺，簡化了低速磁浮列車懸浮控制問題研究，設計與使用磁懸浮實物裝置進行調試，進一步驗證自主設計的控制器可行性。

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，使繞組產生與導軌相互吸引的電磁力，與車廂本身的重力相互平衡以達到支撐車廂的懸浮狀態，主要通過傳感器采集電流、間隙等反饋信號傳送至控制器，控制器判斷實際數據與懸浮給定值差值進行調整控制，最終使得電磁鐵整體懸浮，如圖1所示。

圖1 單鐵磁懸浮實驗平臺原理圖

若漏磁通量、鐵磁阻大小、導軌的磁阻大小忽略不計，其數學模型如下。

(1)

(2)

(3)

式中：符號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(i0，z0)；電磁鐵及其承載的總質量為m；重力加速度為g；A為鐵芯極面積；N為電磁鐵線圈匝數；R為電磁鐵線圈電阻；μ0為空氣中的總磁導率。

2 系統硬件設計

系統硬件由機械結構、電氣控制兩大模塊構成。機械結構模塊由電磁鐵、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。機械結構如圖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 單鐵懸浮軌道實驗平臺3D模型圖

為了實現對電磁鐵精確、穩定的控制，磁懸浮系統整體控制結構以DSP芯片為核心控制，使用電源模塊為各個模塊供電，主要包括傳感器信號采集電路、電磁鐵電路、保護電路、故障處理電路、通信電路等。綜合考慮芯片性能、內部存儲空間大小，最終確定選取型號DSP TMS320F28335芯片作為磁懸浮系統的主控芯片。

傳感器模塊、間隙傳感器選擇電容式金屬距離傳感器，即導軌作為被檢測的對象，傳感器本身檢測表面和外界之間構成的電容器，存在初始振蕩、停振狀態，當測量表面間距逐漸減小，傳輸回路電容量變化，狀態被轉換為電信號，經過放大電路轉換為二進制開關信號，最終以電信號的形式將兩種狀態輸出，進而反饋出具體距離；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以場效應管為核心的IEPE電路，利用同一根線對其輸出和恒流源進行供電，以一個直流量級為基礎疊加一交流(振動)信號，以此來實現加速度的測量。

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，輸出電路設計上選用H橋作為輸出電路，利用維持下橋接地MOS管的導通，控制上橋300 V與地的MOS管相互導通，可讓電路輸出300 V、0 V，并且可通過死區設置防止上下橋同時導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、導通阻值為0.099 Ω，通斷周期為110 ns，符合系統對開關元件電壓、頻率的要求。

3 系統軟件設計

3.1 雙閉環控制算法設計

建立被控對象，控制器的搭建分為內環及外環，內環的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到給定位置穩定；外環采取梯形積分模糊PID控制器。

3.2 系統程序設計

系統設計主要在于通過判斷電磁鐵的懸浮狀態來調用控制子程序實現電磁鐵懸浮。首先，系統初始化，配置外設引腳，對設定變量給定地址以及賦值。其次，進行使能中斷，開啟定時器、啟動AD轉換，以設定初始值驅動控制電磁鐵起浮。最后，通過讀取到的實時電磁鐵狀態數據，如間隙距離、加速度等重要數據判斷懸浮位置，調整輸出控制信號。

4 實驗平臺整體測試

4.1 平臺整體功能測試

在完成系統各個模塊單獨調試基礎上，將電磁鐵各模塊機械結構進行整體組裝，經過整體平臺測試，測試結果顯示性能良好。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；控制板輸出PWM信號和接收處理信號；電磁鐵由電源板輸出的電流控制懸浮；采集電磁鐵狀態的傳感器與顯示狀態的示波器，實物結構圖如圖3所示。

圖3 仿真實驗平臺實物結構圖

4.2 懸浮控制算法測試

采取內環PI控制器、外環梯形積分模糊PID控制算法進行了懸浮控制的實驗，測量電磁鐵浮起狀態的間隙、電流波形圖如圖4所示。

圖4 電磁鐵浮起間隙、電流波形圖

根據實驗結果下降時間、峰值時間、超調量參數顯示，具有較高控制精度，且改善電流抖動；加入負載后抖動問題得到了明顯的改善，動態性能、魯棒性有明顯提升。

5 結語

以磁懸浮列車懸浮控制系統為研究對象，通過機械解耦，對單鐵磁懸浮控制系統開展硬件與軟件設計，搭建實物平臺并進行了整體測試。采用基于梯形積分模糊PID控制算法進行了懸浮控制的實驗，實驗結果顯示該平臺在系統性能、控制精度方面均實現了較好的效果，滿足不同控制算法實驗需求，為后續開展磁懸浮控制系統研究提供一個實用專業平臺。