基于TMS320F28335的磁浮列车数字控制器设计

基金项目：国家自然科学基金项目（60974128）定稿日期：2010-05-12
作者简介：龙鑫林（1982-），男，湖南株洲人，博士研究生，研究方向为磁悬浮控制。

基于TMS320F28335的磁浮列车数字控制器设计
龙鑫林，郝阿明，佘龙华
（国防科技大学，磁悬浮技术研究中心，湖南长沙
410073）
摘要：悬浮控制算法最终需依托具体的控制器软硬件来实现，控制算法和软件的发展也要求控制硬件相应地
升级。

在此介绍了描述新一代悬浮控制系统软硬件平台的开发过程，以TMS320F28335为核心设计适用于磁浮列车的数字控制器，并应用于实验车上与旧控制器作比较，实验结果验证了新控制器的有效性和可靠性。

关键词：数字控制器；磁悬浮列车；软硬件中图分类号：TM571
文献标识码：A
文章编号：1000-100X （2010）10-0109-02
Design of a Digital Controller for Maglev Train Based on TMS320F28335
LONG Xin -lin ，HAO A -ming ，SHE Long -hua
（National University of Defense Technology ，Changsha 410073，China ）
Abstract ：The realization of suspension control method needs a set of hardware ，the progress of control theory and software need the hardware to follow ，the design of a original controller is discussed in this issue ，which uses new product TMS320F28335as the control CPU for maglev train ，then experiments are carried out ，the results show the advantages and reliability of the new controller.
Keywords ：digital controller ；maglev train ；software and hardware
Foundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.60974128）
1引言由于磁浮列车是脱离轨道运行的，所以控制技术与磁浮技术是磁浮列车的关键技术。

从上世纪90年代开始，国内外学者和工程师不断地研究
并提出令人眼花缭乱的控制算法，但所有悬浮控制算法最终需依托具体的控制器软硬件来实现，因此构建满足算法要求的硬件平台是磁浮技术的关键。

从磁浮列车的控制手段来看，可应用模拟电子电路，亦可应用数字电子计算机。

模拟控制具有运算速度快、实时性好等优点，但由于其存在工作稳定性差、精度低、调整困难以及难于实现复杂的控制规律等许多缺点，所以高速、高性能的数字控制成为目前的主要控制方式。

随着电子技术的飞速发展，高性能数字芯片层出不穷，使得非常复杂的算法也能得以实现。

TMS320F240，TMS320F2407，TMS320F2812等芯片都被成功应用于磁悬浮控制中[1]，最新推出的TMS320F28335以其强大的处理能力和丰富的外设资源而备受关注。

2磁浮列车悬浮控制系统
磁浮列车实际上是一个受电磁铁和导轨间作用力控制的空间自由体，对它的控制可以分为悬浮控制、导向控制和驱动控制3个方面[2]。

对于电磁吸浮式磁浮列车，由于电磁吸力与悬浮气隙之间为非线性反比关系，使得该电磁悬浮系统存在固有的不稳定性，因而悬浮控制成为该类型磁浮列车的关键。

从控制理论上讲，随着国内外学者的不断努力探索，越来越多的悬浮控制算法，包括线性控制和非线性控制方法呈现在世人眼前，所有这些控制算法最终需要依托具体的控制器硬件来实现。

对于复杂的控制理论而言，用数字实现方式肯定比模拟实现方式方便。

由于磁浮列车悬浮控制系统本身就是个复杂系统，这自然对数字控制器的处理能力和可靠性提出了较高的要求。

应用不同的控制理论对磁浮列车悬浮控制系统进行分析和综合都应得到类似结果，其最终结果均是以PWM 波的形式输出，然后控制IGBT ，对输入电压进行斩波，形成对应的控制电压输出，其原理如图1所示。

图中PWM 1和PWM 2为一对带死区的反向
PWM 波，
当控制输出PWM 1为高时，如图所示，三极管VT 1和VT 3导通，VT 2和VT 4截止，电流方向
为图中箭头方向，反之电流方向也相反。

为防止双
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H 桥的左桥臂组VT 1和VT 2或者右桥臂组VT 3和
VT 4同时导通，
两路PWM 波必须加一定宽度的死区，这通过TMS320F28335很容易实现。

3TMS320F28335简介
TMS320F28335运行速度为150MHz ，具有一个浮点内核，处理速度快。

片上具有68k*16bit RAM ，512k*16bit flash ，
存储能力满足系统要求。

2个CAN 模块和3个SCI 模块可供控制器与上位机及其他控制器间进行通讯。

一个I 2C 模块可扩展EEPROM ，用来存储即使掉电也不会丢失的重要信息。

该芯片还具有支持DMA 模式的Mcbsp 通讯模块，可用来与传感器通信，获取传感器信息。

此外，多路PWM 输出可灵活配置，包括产生以上提到的一对带死区的PWM 输出。

TMS320F28335还具有其他功能，此处不再赘述。

4基于TMS320F28335的控制器设计
在此仅就用DSP 实现单磁铁悬浮控制器的情
况进行分析。

对整车进行分散控制时，单磁铁悬浮系统的分析和综合是磁浮列车系统分析和控制的基础。

图2示出控制器设计思想。

该系统采用双DSP 结构，其中DSP 1通过多通
道缓冲串口Mcbsp 获得间隙、加速度、电流、电压等信息，完成数据滤波后通过双口RAM 送至DSP 2。

由于TMS320F28335的多通道缓冲串行口Mcbsp 模块没有发送接收缓冲区，系统采用TMS320F28335支持的存储器直接存储控制DMA 技术搬运接收到的数据，保证数据不会溢出，同时
大大减轻了CPU 负担。

算法运算由DSP 2完成，最后以一对带死区的PWM 波形式输出，DSP 2通过
I 2C 接口扩展EEPROM ，
用来存储重要信息。

两片DSP 通过CAN 通讯连接上位机和诊断系统，方便调试和诊断。

5
实验结果分析
将控制器安装在实验车上，应用串级控制方
法[3]进行实验，结果如图3a 所示。

TMS320F2407旧控制器应用同样的算法得到结果如图3b 所示。

由图可见，随着电流的快速增加，磁浮系统脱
离轨道开始悬浮，间隙开始减小，需要的悬浮力也变小，此时电流开始缓慢减小，以保证间隙慢慢减小到设定值，可见起浮过程都很平稳，稳定悬浮后保持设定间隙不变。

6结论
与原TMS320F2407控制器相比，新一代控制
器以TMS320F28335为核心处理器有以下创新和优势：①处理能力和处理速度有明显提高，这使得更多复杂算法能得以实现；②集成度更高，28335自身具备控制系统所要求的所有功能，不用像以前一样还需扩展复杂的外围电路，使得电路设计简洁化，增加了系统的可靠性；③用数字通讯方式替代以前的A/D 采样，增强了信号的抗干扰性。

参考文献
[1]佘龙华，
邹东升，李剑锋.基于TMS320F2812的磁浮列车控制器设计[J].电力机车与城轨车辆，2005，28（5）：12-14.
[2]吴祥明.磁浮列车[M].上海：
上海科学技术出版社，2003.
[3]李云钢，
常文森.磁浮列车悬浮系统的串级控制[J].自动化学报，1999，25（2）：247-251.
图2
悬浮控制器结构框图
图1
新控制器IGBT
工作原理简图。