由于磁浮列車(chē)是脫離軌道運(yùn)行的,所以控制技術(shù)與磁浮技術(shù)無(wú)疑是磁浮列車(chē)的關(guān)鍵所在,。對(duì)磁浮列車(chē)控制的一個(gè)最基本要求,，是要保證磁浮列車(chē)能夠在各種擾動(dòng)(外部和內(nèi)部)作用下仍然具有平衡穩(wěn)定的懸浮,。從磁浮列車(chē)的控制手段來(lái)看,，可以應(yīng)用模擬電子電路,，亦可以應(yīng)用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。模擬控制具有運(yùn)算速度快,、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn),，但由于其存在工作穩(wěn)定性差、精度低,、調(diào)整困難以及難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律等許多缺點(diǎn)，所以采用高速,、高性能的數(shù)字控制成為目前的主要控制方式,。
1 磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)
　　磁浮列車(chē)實(shí)際上是一個(gè)受電磁鐵和導(dǎo)軌間作用力控制的空間自由體，在空間具有6個(gè)自由度。磁浮列車(chē)的控制可以分為懸浮控制,、導(dǎo)向控制和驅(qū)動(dòng)控制三個(gè)方面,。對(duì)于電磁吸浮式磁浮列車(chē)，由于電磁吸力和懸浮氣隙之間成非線(xiàn)性反比關(guān)系,，使得該電磁懸浮系統(tǒng)本身存在固有的不穩(wěn)定性,，因而懸浮控制成為該類(lèi)型磁浮列車(chē)的控制關(guān)鍵。從控制理論上講,，有線(xiàn)性控制理論和非線(xiàn)性控制理論,。應(yīng)用不同的控制理論對(duì)磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合都應(yīng)該得到類(lèi)似的結(jié)果，但不同方法所帶來(lái)的有效性,、直觀性和簡(jiǎn)便性卻不盡相同,，尤其在實(shí)現(xiàn)方式上。
　　在實(shí)現(xiàn)手段上,對(duì)于復(fù)雜的控制理論來(lái)說(shuō),，用數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式肯定比模擬實(shí)現(xiàn)方式方便,。而磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)本身就是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，這自然就對(duì)數(shù)字控制器提出了較高的要求,。磁浮列車(chē)模擬控制器電路中的電阻,、電容、運(yùn)算放大器等器件的特性都會(huì)隨著溫度的改變而改變,，這就意味著,，一個(gè)模擬控制器的性能在0℃時(shí)和70℃時(shí)會(huì)大不一樣，而數(shù)字控制器的電路在其保證的工作范圍內(nèi)受溫度變化的影響幾乎沒(méi)有,。此外,，對(duì)于磁浮列車(chē)模擬控制器電路來(lái)說(shuō)，還必須考慮到器件以及制造器件的材料的壽命,，這將極大地影響整個(gè)懸浮控制系統(tǒng)的性能,，但對(duì)于用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器，它們所帶來(lái)的影響要小得多,。而且,，DSP電路還可以通過(guò)編程來(lái)檢測(cè)和補(bǔ)償模擬系統(tǒng)的變化。
2 數(shù)字信號(hào)處理器簡(jiǎn)介
　　隨著應(yīng)用的日益廣泛,，DSP(Digital signal processor)已經(jīng)成為許多高級(jí)設(shè)計(jì)不可缺少的組成部分,。高速數(shù)據(jù)傳輸能力是DSP用作高速實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵性能之一。
　　本系統(tǒng)采用的是得克薩斯儀器公司(TI)的第三代數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C3X系列的C31芯片,。它是32位浮點(diǎn)運(yùn)算DSP,，其內(nèi)部總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和特殊的數(shù)字信號(hào)處理指令集保證了它的速度很高，靈活性也很好,，每秒可以執(zhí)行3300萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算,。它可以在60ns的單指令周期內(nèi)并行完成定點(diǎn)或浮點(diǎn)的乘法和ALU運(yùn)算,。該處理器設(shè)置了一個(gè)通用寄存器堆、高速程序緩存器(Cache),、專(zhuān)用輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU),、片內(nèi)雙口存儲(chǔ)器、一個(gè)支持并行I/O的DMA通道等,。其高度的并行性,、高精度及通用性使得該系統(tǒng)既有很好的性能，又便于使用,。
　　傳統(tǒng)的數(shù)字控制器大多采用較高檔的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),這種數(shù)字控制器的主要缺點(diǎn)是它的控制效果受到采樣頻率的限制,。當(dāng)控制器算法比較復(fù)雜、運(yùn)算量較大時(shí),采樣頻率就不可能很高,。由于磁浮列車(chē)高速運(yùn)行時(shí), 需要傳感器在采樣數(shù)據(jù)時(shí)有很好的實(shí)時(shí)性,，而傳統(tǒng)的數(shù)字控制器在進(jìn)行浮點(diǎn)處理時(shí)，速度很慢,勢(shì)必影響控制效果,。但用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn),，這一問(wèn)題就不難解決。
3 基于DSP的懸浮控制器的設(shè)計(jì)
　　在這里作者僅就用DSP實(shí)現(xiàn)單磁鐵懸浮控制器的情況進(jìn)行分析,。對(duì)整車(chē)進(jìn)行分散控制時(shí),單磁鐵懸浮系統(tǒng)的分析和綜合是磁浮列車(chē)系統(tǒng)分析和控制的基礎(chǔ),。
　　電磁鐵的可控量為其線(xiàn)圈的端電壓(或者電流),通過(guò)改變線(xiàn)圈電流，改變氣隙磁密, 可改變電磁吸力的大小,。在開(kāi)環(huán)情況下,，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，只有對(duì)電磁鐵的氣隙進(jìn)行反饋控制,，才能保持氣隙恒定,。控制框圖如圖1所示,?？刂圃頌椋菏紫韧ㄟ^(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁鐵的氣隙變化狀態(tài)，并與存儲(chǔ)在EPROM內(nèi)的參考值進(jìn)行比較,；然后通過(guò)控制器進(jìn)行運(yùn)算處理,，得到綜合控制量，此信號(hào)即是調(diào)節(jié)電磁鐵狀態(tài)的控制信號(hào),，調(diào)節(jié)電磁鐵電流,，可以保證電磁鐵始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。
　　由于有了DSP高速數(shù)據(jù)處理能力的保障,，外部的A/D和D/A芯片可選用轉(zhuǎn)換速度較快的AD1674和MAX7547,其精度均為12位,。在一般的數(shù)字控制器中，圖1的采樣保持和濾波電路要用獨(dú)立的電路來(lái)實(shí)現(xiàn),，這勢(shì)必增加了電路的復(fù)雜性,，同時(shí)也增加了不必要的外界干擾,；而用DSP來(lái)作控制器，使這些部分可不必用獨(dú)立的電路實(shí)現(xiàn),只要通過(guò)軟件編程就可以實(shí)現(xiàn),，這樣既方便操作，又使調(diào)試容易,，不必破壞原來(lái)的硬件電路,。整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)的框圖如圖2所示。

　　為了節(jié)省CPU的時(shí)間,，A/D轉(zhuǎn)換采用中斷查詢(xún)的方式,。TMS320C31的中斷包括四個(gè)外部中斷、串行口中斷,、定時(shí)器中斷和DMA中斷等,。其中四個(gè)外部中斷采用電平觸發(fā)中斷方式，而不支持下降沿觸發(fā)中斷方式,。在實(shí)際DSP應(yīng)用中往往需要下降沿觸發(fā)中斷,如外部提供一個(gè)2.4kb/s的定時(shí)時(shí)鐘, 要求每個(gè)下降沿觸發(fā)一次中斷,。在這種情況下需要將下降沿轉(zhuǎn)化為一個(gè)低電平窄脈沖，并且保證這個(gè)窄脈沖能夠觸發(fā)并且只觸發(fā)一次外部中斷,。
　　TMS320C31在H1時(shí)鐘的下降沿檢測(cè)中斷引腳, 且每?jī)蓚€(gè)H1時(shí)鐘周期便從同一個(gè)中斷源接受一次中斷,。為使DSP芯片只識(shí)別一次中斷，低電平窄脈沖的寬度必須至少包含1個(gè)H1的下降沿,，至多包含2個(gè)H1的下將沿, 也就是說(shuō)窄脈沖的寬度τ必須滿(mǎn)足：
　　P＜τ＜2P, P等于H1的周期
　　中斷轉(zhuǎn)換電路可用單穩(wěn)電路來(lái)實(shí)現(xiàn),，圖3即是采用74AS221觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電路，用AD1674的轉(zhuǎn)換狀態(tài)引腳STA來(lái)觸發(fā)中斷/INT1,。圖中R4,、C15共同決定窄脈沖的寬度，由于τ＝RC,因此當(dāng)時(shí)鐘是40MHz時(shí),H1的周期為50ns,RC的值應(yīng)在50ns和100ns之間,，取R4＝1.8kΩ,C15＝47pF,RC＝84.6ns,。
　　同時(shí)考慮到AD1674各選通信號(hào)均是用CPU的地址線(xiàn)選通，而它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳R/C的低電平保持時(shí)間至少為100ns, 在這里我們用TMS320C31的外部存儲(chǔ)選通信號(hào)引腳/STRB經(jīng)單穩(wěn)電路轉(zhuǎn)換得到,。如圖3所示,，將/STRB的下降沿經(jīng)74AS221作用可得到τ＝112.2ns的低電平時(shí)間。

　　圖4所示的實(shí)驗(yàn)波形是利用本論文設(shè)計(jì)的DSP數(shù)字控制器,運(yùn)用運(yùn)算量較大的最優(yōu)控制的方法對(duì)單電磁鐵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果,。以上波形均是相應(yīng)物理量在相應(yīng)外界干擾下的變化值,。圖中單位均為國(guó)際單位制，時(shí)間t的單位是秒,，干擾信號(hào)是外力,，單位是牛頓，電流單位是安培,，氣隙單位是米,。在這里氣隙穩(wěn)定是我們的控制目標(biāo),，加速度是衡量乘客舒適度的指標(biāo)，所以我們對(duì)氣隙和加速度兩方面進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì),。通過(guò)最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)出來(lái)的反饋系數(shù)為Ks(氣隙反饋系數(shù))＝－2239.4,，Ka(加速度反饋系數(shù))＝－1。有關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：
　　電磁鐵質(zhì)量：m＝120kg(單個(gè)電磁鐵質(zhì)量)
　　電磁鐵匝數(shù):N＝356
　　電磁鐵截面積:A＝210cm2(單個(gè))
　　線(xiàn)圈電阻：R＝1Ω
　　平衡氣隙:s0＝10mm
　　平衡電流:i0＝30A