一种基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的磁悬浮控制器
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
— 42 —
图1
磁悬浮系统的双环控制示意图
2010 ， 37 （ 7 ）
控制与应用技术EMCA
在磁悬浮控制系统中， 电流环控制非常重要， 系统降阶的依据就是电流环具有足够快的速 ［ 1］ 度 。但是， 在电流环调节过程中， 由于电磁铁 线圈电感和电阻不断变化， 因此电流环的系统参 由于电流环是内环， 位置环 数不是固定的。另外， 是外环， 要求电流环比位置环具有更快的速度 。 在以往的磁悬浮控制中， 由于硬件成本和单 片机运算速度等原因， 通常采用模拟电路实现磁 悬浮控制器。 模拟磁悬浮控制器存在灵活性差、 抗干扰性差、 参数调整困难等方面的缺点。 随着 DSP 等的应用， 数字化磁悬浮控制器得到了广泛 并且随着双环控制理论的应用， 出现了三种 推广， 数字磁悬浮控制器结构： 第一种是半数字化结构 的控制器， 即位置环采用 DSP 实现， 电流环采用 模拟电路实现；第二种是用单个 DSP 实现位置环 和电流环的数字双环单 DSP 控制器； 第三种是双 DSP 结构的磁悬浮控制器， 即用一个 DSP 实现电 流环控制， 另一个 DSP 实现位置环控制。 本文对各种数字磁悬浮控制器进行分析， 提出 了一种结构简单、 性能优越， 更适合于双环控制的 基于 DSP 和现场可编程门阵列 （ Field Programmable Gate Array， FPGA） 的新型磁悬浮控制器。
图5 位置环控制器软件流程图
图6
电流环控制器软件流程图
图4
基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制器原理框图
4
基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制 器实现
（ a） 电磁铁起浮和降落过程
（ 1 ） 位置环控制器的实现。位置环采用位置 反馈 和 垂 向 速 度 反 馈 的 方 法， 控制周期设为 200 μs， 控制算法可采用 PID 控制， 也可采用非线 性控制等先进的悬浮控制算法。 PD 控制算法软 件流程如图 5 所示。 （ 2 ） 电流环控制器的实现。电流环控制器在 FPGA 中实现， 采用 VHDL 语言书写， 采用 PI 调节 控制策略， 控制周期为 50 μs。试验中可采用反复 凑试的方式， 确定合理的 PI 参数。 软件流程图如 图 6 所示。
控制与应用技术EMCA
2010 ， 37 （ 7 ）
一种基于数字信号处理器和现场可编程 门阵列的磁悬浮控制器
— 44 —
（ b） 电磁铁稳定悬浮
图7
悬浮控制试验波形
2010 ， 37 （ 7 ）
控制与应用技术EMCA
双 DSP 结 构 的 磁 悬 浮 控 制 器 如 图 3 所 示。 图 中 DSP 采 用 TI 公 司 的 TMS320LF2407 或 TMS320F2812 。由于两个 DSP 之间需要通信， 因 此增加双口 RAM 芯片。两个 DSP 之间及 DSP 与 外围芯片之间的地址逻辑由 CPLD 实现。 由于采 样精度的原因， 需要外扩 A / D 芯片。 另外， 需要 扩展 CAN 等通信接口， 实现磁悬浮控制器与上位 机之间的通信。 DSP1 实现位置环控制和对外通 DSP2 实现电流环控制。 信，
为增强控制系统对磁悬浮列车系统参数变化 的适应性、 抑制车轨共振， 磁悬浮控制器通常采用 ［ 12］ ， 双环控制 即把磁悬浮控制器分为电流环子控 制器和位置环子控制器， 如图 1 所示：位置环由间 s 隙信号测量值 和给定间隙值 s ref 组成； 电流环由 1］ 电流信号测量值和给定电流值 i ref 组成。 文献［ 提出将磁悬浮系统分解为电流环和悬浮子控制系 统两个串行、 解耦的子系统来设计控制器； 文献 ［ 2］ 提出将悬浮系统分为电流环和位置环进行控 ， 制 并 设 计 了 以 TMS320F2407 数 字 信 号 处 理 器 （ Digital Singal Processing， DSP ） 为核心的控制器
徐俊起， 吴小东 （ 上海磁浮交通发展有限公司，上海 201204 ）
摘 要： 为增强控制系统对磁悬浮列车系统参数变化的适应性 、 抑制车轨共振， 磁悬浮控制器通常采用
磁悬浮控制器实现了数字化 。在详细分析各种数 双环控制的方法。随着高速数字信号处理器（ DSP） 的出现， 提出了一种新型的适用于双环控制的基于 DSP 和现场可编程门阵列（ FPGA ） 的 字化磁悬浮控制器的基础上， 磁悬浮控制器， 并进行了软、 硬件设计和试验验证。理论分析和试验结果表明：该控制器结构简单合理 、 高速 有效， 能够完成先进的悬浮控制算法 。 关键词： 双环控制； 数字信号处理器； 现场可编程门阵列； 磁悬浮控制器； 数字控制 中图分类号： TM 301. 2 文献标志码：A 6540 （ 2010 ） 07004204 文章编号：1673-
在以上几种数字控制器的基础上， 本文介绍 基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制器， 其结构如图 4 所示， 图中 DSP 用于实现位置环控制和对外通 ， FPGA 信 用于实现电流环控制及 DSP 与外围芯 DSP 和 FPGA 之间采用并口 片之间的地址逻辑， 高速有效， 达到了对 DSP 通信。该系统结构简单、 和 FPGA 资源的各取所长、 合理配置的目的。 为 提高 AD 采样精度和抗干扰能力而不外扩 AD， DSP 选 用 TI 公 司 新 型 浮 点 DSP 芯 片 TMS320F28335 。TMS320F28335 对片内 AD 进行 性 能 大 大 提 高， 并 采 用 了 浮 点 运 算 器。 了改进， FPGA 选用 XINLIX 公司的 XC3S200 系列， 外扩高 实现电流值 i 的高速采样， 速 AD 转换器 AD7864 ， 以适应高速的电流环控制。
（ 2 ） 控制周期必须以电流环控制周期为准， 保持高速运行， 系统负荷重； （ 3 ） 在软件设计上， 电流环和位置环不能完 全解耦， 调试困难； （ 4 ） 试验证明， 如果选用的 DSP 速度较慢， 则很难实现系统的稳定悬浮。
图2
数字双环单 DSP 磁悬浮控制器原理框图
2
双 DSP 结构磁悬浮控制器
（ 3 ） 悬浮控制试验结果。对根据以上方法设 计的磁悬浮控制器进行悬浮控制试验 。悬浮电磁 铁起浮、 下落和稳定悬浮的试验结果如图 7 所示。 图中信号 1 为电流波形， 信号 2 为间隙波形。 电 悬浮间隙信号电压值约为 10 V （ 表 磁铁落下时， 示 20 mm ） ， 浮 起 后 约 为 4. 7 V （ 表 示 9. 4 mm） 。 稳定悬浮时电流值约为 35 A。 试验证明， 系统能 够很好地实现稳定悬浮。
1
数字双环单 DSP 磁悬浮控制器
第一种半数字化结构磁悬浮控制器还没有完
全实现电流环的数字化， 存在明显不足， 这里不作 详细分析。 本文重点分析数字双环单 DSP 控制 器和双 DSP 结构的磁悬浮控制器。 数字双环单 DSP 控制器如图 2 所示。 图中 DSP 采用 TI 公司 的 TMS320LF2407 或 TMS320F 2812 。由于 TMS320LF2407 和 TMS320F 2812 内 抗干扰能 部自带的片内 AD 芯片转换误差较大、 对于悬浮控制器这种采样精度要求较高 ， 力较弱， 且工作环境比较恶劣的情况， 其片内 A / D 往往不 能达到要求， 因此需要外扩 A / D。 DSP 与外围芯 片之间的地址逻辑由复杂可编程逻辑控制器 （ Complex Programmable Logic Device， CPLD ） 实 现。 这种数字双环单 DSP 控制器虽然能够实现 位置环和电流环的数字化控制， 但存在以下缺点： （ 1 ） 采样频率必须以电流环采样速度为准， 需要保持高采样速度；
0
引
言
3］ 对其进行试验验证； 文献［ 对磁悬浮控制器的 电流环作了研究， 并设计了实用模拟电流环电路； 4］ 文献［ 对磁悬浮列车悬浮控制器的电流环进行 了深入研究， 并提出了次速电流环的概念； 文献 ［ 5］ 对磁悬浮控制器数字化进行了分析， 并采用 MC80C196 单片机予以实现； 文献［ 6］ 用 Dpension Controller Based on Digital Signal Processing and Field Programmable Gate Array
XU Junqi， WU Xiaodong （ Shanghai Maglev Transportation Development Co. ，Ltd. ，Shanghai 201204 ，China）
（ 3 ） DSP 外围接口丰富， 用于电流环控制的 DSP2 资源浪费； （ 4 ） 系统扩展不灵活。
3
基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制 器设计
图3
双 DSP 结构磁悬浮控制器原理框图
双 DSP 控制器虽然能够实现位置环和电流 环的独立双环控制器， 但具有以下不足： （ 1 ） 硬件系统结构复杂， 容易发生硬件故障； （ 2 ） 需 要 增 加 双 口 RAM 和 CPLD， 成本较 高；
— 43 —
控制与应用技术EMCA
2010 ， 37 （ 7 ）
由于tms320lf2407tms320f2812部自带的片内ad芯片转换误差较大抗干扰能力较弱对于悬浮控制器这种采样精度要求较高且工作环境比较恶劣的情况其片内往往不能达到要求因此需要外扩ddsp与外围芯片之间的地址逻辑由复杂可编程逻辑控制器complexprogrammablelogicdevicecpld实这种数字双环单dsp控制器虽然能够实现位置环和电流环的数字化控制但存在以下缺点
Abstract： In order to enhance the adaptation of the control system for the change of the maglev train system parameters and inhibit the coupled vibration of vehicle and track，doubleloop control of magnetic levitation controller is usually used. With the emergence of highspeed digital signal processing （ DSP） ，the digital magnetic levitation conloop magnetic controller based troller was realized. Various digital magnetic controllers were analyzed，a new doubleon DSP and FPGA was proposed， the hardware and software design and experimental research were realized. Theoretspeed and ical analysis and experimental results showed that the controller structure was simple and reasonable，higheffective，able to complete the advanced suspension control algorithm. Key words： double loop control； digital singal processing （ DSP） ； field programmable gate array （ FPGA） ； magnetic suspension controller； digital control
图1
磁悬浮系统的双环控制示意图
2010 ， 37 （ 7 ）
控制与应用技术EMCA
在磁悬浮控制系统中， 电流环控制非常重要， 系统降阶的依据就是电流环具有足够快的速 ［ 1］ 度 。但是， 在电流环调节过程中， 由于电磁铁 线圈电感和电阻不断变化， 因此电流环的系统参 由于电流环是内环， 位置环 数不是固定的。另外， 是外环， 要求电流环比位置环具有更快的速度 。 在以往的磁悬浮控制中， 由于硬件成本和单 片机运算速度等原因， 通常采用模拟电路实现磁 悬浮控制器。 模拟磁悬浮控制器存在灵活性差、 抗干扰性差、 参数调整困难等方面的缺点。 随着 DSP 等的应用， 数字化磁悬浮控制器得到了广泛 并且随着双环控制理论的应用， 出现了三种 推广， 数字磁悬浮控制器结构： 第一种是半数字化结构 的控制器， 即位置环采用 DSP 实现， 电流环采用 模拟电路实现；第二种是用单个 DSP 实现位置环 和电流环的数字双环单 DSP 控制器； 第三种是双 DSP 结构的磁悬浮控制器， 即用一个 DSP 实现电 流环控制， 另一个 DSP 实现位置环控制。 本文对各种数字磁悬浮控制器进行分析， 提出 了一种结构简单、 性能优越， 更适合于双环控制的 基于 DSP 和现场可编程门阵列 （ Field Programmable Gate Array， FPGA） 的新型磁悬浮控制器。
图5 位置环控制器软件流程图
图6
电流环控制器软件流程图
图4
基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制器原理框图
4
基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制 器实现
（ a） 电磁铁起浮和降落过程
（ 1 ） 位置环控制器的实现。位置环采用位置 反馈 和 垂 向 速 度 反 馈 的 方 法， 控制周期设为 200 μs， 控制算法可采用 PID 控制， 也可采用非线 性控制等先进的悬浮控制算法。 PD 控制算法软 件流程如图 5 所示。 （ 2 ） 电流环控制器的实现。电流环控制器在 FPGA 中实现， 采用 VHDL 语言书写， 采用 PI 调节 控制策略， 控制周期为 50 μs。试验中可采用反复 凑试的方式， 确定合理的 PI 参数。 软件流程图如 图 6 所示。
控制与应用技术EMCA
2010 ， 37 （ 7 ）
一种基于数字信号处理器和现场可编程 门阵列的磁悬浮控制器
— 44 —
（ b） 电磁铁稳定悬浮
图7
悬浮控制试验波形
2010 ， 37 （ 7 ）
控制与应用技术EMCA
双 DSP 结 构 的 磁 悬 浮 控 制 器 如 图 3 所 示。 图 中 DSP 采 用 TI 公 司 的 TMS320LF2407 或 TMS320F2812 。由于两个 DSP 之间需要通信， 因 此增加双口 RAM 芯片。两个 DSP 之间及 DSP 与 外围芯片之间的地址逻辑由 CPLD 实现。 由于采 样精度的原因， 需要外扩 A / D 芯片。 另外， 需要 扩展 CAN 等通信接口， 实现磁悬浮控制器与上位 机之间的通信。 DSP1 实现位置环控制和对外通 DSP2 实现电流环控制。 信，
为增强控制系统对磁悬浮列车系统参数变化 的适应性、 抑制车轨共振， 磁悬浮控制器通常采用 ［ 12］ ， 双环控制 即把磁悬浮控制器分为电流环子控 制器和位置环子控制器， 如图 1 所示：位置环由间 s 隙信号测量值 和给定间隙值 s ref 组成； 电流环由 1］ 电流信号测量值和给定电流值 i ref 组成。 文献［ 提出将磁悬浮系统分解为电流环和悬浮子控制系 统两个串行、 解耦的子系统来设计控制器； 文献 ［ 2］ 提出将悬浮系统分为电流环和位置环进行控 ， 制 并 设 计 了 以 TMS320F2407 数 字 信 号 处 理 器 （ Digital Singal Processing， DSP ） 为核心的控制器
徐俊起， 吴小东 （ 上海磁浮交通发展有限公司，上海 201204 ）
摘 要： 为增强控制系统对磁悬浮列车系统参数变化的适应性 、 抑制车轨共振， 磁悬浮控制器通常采用
磁悬浮控制器实现了数字化 。在详细分析各种数 双环控制的方法。随着高速数字信号处理器（ DSP） 的出现， 提出了一种新型的适用于双环控制的基于 DSP 和现场可编程门阵列（ FPGA ） 的 字化磁悬浮控制器的基础上， 磁悬浮控制器， 并进行了软、 硬件设计和试验验证。理论分析和试验结果表明：该控制器结构简单合理 、 高速 有效， 能够完成先进的悬浮控制算法 。 关键词： 双环控制； 数字信号处理器； 现场可编程门阵列； 磁悬浮控制器； 数字控制 中图分类号： TM 301. 2 文献标志码：A 6540 （ 2010 ） 07004204 文章编号：1673-
在以上几种数字控制器的基础上， 本文介绍 基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制器， 其结构如图 4 所示， 图中 DSP 用于实现位置环控制和对外通 ， FPGA 信 用于实现电流环控制及 DSP 与外围芯 DSP 和 FPGA 之间采用并口 片之间的地址逻辑， 高速有效， 达到了对 DSP 通信。该系统结构简单、 和 FPGA 资源的各取所长、 合理配置的目的。 为 提高 AD 采样精度和抗干扰能力而不外扩 AD， DSP 选 用 TI 公 司 新 型 浮 点 DSP 芯 片 TMS320F28335 。TMS320F28335 对片内 AD 进行 性 能 大 大 提 高， 并 采 用 了 浮 点 运 算 器。 了改进， FPGA 选用 XINLIX 公司的 XC3S200 系列， 外扩高 实现电流值 i 的高速采样， 速 AD 转换器 AD7864 ， 以适应高速的电流环控制。
（ 2 ） 控制周期必须以电流环控制周期为准， 保持高速运行， 系统负荷重； （ 3 ） 在软件设计上， 电流环和位置环不能完 全解耦， 调试困难； （ 4 ） 试验证明， 如果选用的 DSP 速度较慢， 则很难实现系统的稳定悬浮。
图2
数字双环单 DSP 磁悬浮控制器原理框图
2
双 DSP 结构磁悬浮控制器
（ 3 ） 悬浮控制试验结果。对根据以上方法设 计的磁悬浮控制器进行悬浮控制试验 。悬浮电磁 铁起浮、 下落和稳定悬浮的试验结果如图 7 所示。 图中信号 1 为电流波形， 信号 2 为间隙波形。 电 悬浮间隙信号电压值约为 10 V （ 表 磁铁落下时， 示 20 mm ） ， 浮 起 后 约 为 4. 7 V （ 表 示 9. 4 mm） 。 稳定悬浮时电流值约为 35 A。 试验证明， 系统能 够很好地实现稳定悬浮。
1
数字双环单 DSP 磁悬浮控制器
第一种半数字化结构磁悬浮控制器还没有完
全实现电流环的数字化， 存在明显不足， 这里不作 详细分析。 本文重点分析数字双环单 DSP 控制 器和双 DSP 结构的磁悬浮控制器。 数字双环单 DSP 控制器如图 2 所示。 图中 DSP 采用 TI 公司 的 TMS320LF2407 或 TMS320F 2812 。由于 TMS320LF2407 和 TMS320F 2812 内 抗干扰能 部自带的片内 AD 芯片转换误差较大、 对于悬浮控制器这种采样精度要求较高 ， 力较弱， 且工作环境比较恶劣的情况， 其片内 A / D 往往不 能达到要求， 因此需要外扩 A / D。 DSP 与外围芯 片之间的地址逻辑由复杂可编程逻辑控制器 （ Complex Programmable Logic Device， CPLD ） 实 现。 这种数字双环单 DSP 控制器虽然能够实现 位置环和电流环的数字化控制， 但存在以下缺点： （ 1 ） 采样频率必须以电流环采样速度为准， 需要保持高采样速度；
0
引
言
3］ 对其进行试验验证； 文献［ 对磁悬浮控制器的 电流环作了研究， 并设计了实用模拟电流环电路； 4］ 文献［ 对磁悬浮列车悬浮控制器的电流环进行 了深入研究， 并提出了次速电流环的概念； 文献 ［ 5］ 对磁悬浮控制器数字化进行了分析， 并采用 MC80C196 单片机予以实现； 文献［ 6］ 用 Dpension Controller Based on Digital Signal Processing and Field Programmable Gate Array
XU Junqi， WU Xiaodong （ Shanghai Maglev Transportation Development Co. ，Ltd. ，Shanghai 201204 ，China）
（ 3 ） DSP 外围接口丰富， 用于电流环控制的 DSP2 资源浪费； （ 4 ） 系统扩展不灵活。
3
基于 DSP 和 FPGA 的磁悬浮控制 器设计
图3
双 DSP 结构磁悬浮控制器原理框图
双 DSP 控制器虽然能够实现位置环和电流 环的独立双环控制器， 但具有以下不足： （ 1 ） 硬件系统结构复杂， 容易发生硬件故障； （ 2 ） 需 要 增 加 双 口 RAM 和 CPLD， 成本较 高；
— 43 —
控制与应用技术EMCA
2010 ， 37 （ 7 ）
由于tms320lf2407tms320f2812部自带的片内ad芯片转换误差较大抗干扰能力较弱对于悬浮控制器这种采样精度要求较高且工作环境比较恶劣的情况其片内往往不能达到要求因此需要外扩ddsp与外围芯片之间的地址逻辑由复杂可编程逻辑控制器complexprogrammablelogicdevicecpld实这种数字双环单dsp控制器虽然能够实现位置环和电流环的数字化控制但存在以下缺点
Abstract： In order to enhance the adaptation of the control system for the change of the maglev train system parameters and inhibit the coupled vibration of vehicle and track，doubleloop control of magnetic levitation controller is usually used. With the emergence of highspeed digital signal processing （ DSP） ，the digital magnetic levitation conloop magnetic controller based troller was realized. Various digital magnetic controllers were analyzed，a new doubleon DSP and FPGA was proposed， the hardware and software design and experimental research were realized. Theoretspeed and ical analysis and experimental results showed that the controller structure was simple and reasonable，higheffective，able to complete the advanced suspension control algorithm. Key words： double loop control； digital singal processing （ DSP） ； field programmable gate array （ FPGA） ； magnetic suspension controller； digital control