由于磁浮列車是脫離軌道運(yùn)行的,所以控制技術(shù)與磁浮技術(shù)無疑是磁浮列車的關(guān)鍵所在。對磁浮列車控制的一個最基本要求，是要保證磁浮列車能夠在各種擾動(外部和內(nèi)部)作用下仍然具有平衡穩(wěn)定的懸浮,。從磁浮列車的控制手段來看，可以應(yīng)用模擬電子電路,，亦可以應(yīng)用數(shù)字電子計算機(jī),。模擬控制具有運(yùn)算速度快、實(shí)時性好等優(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 磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)
　　磁浮列車實(shí)際上是一個受電磁鐵和導(dǎo)軌間作用力控制的空間自由體,，在空間具有6個自由度,。磁浮列車的控制可以分為懸浮控制、導(dǎo)向控制和驅(qū)動控制三個方面,。對于電磁吸浮式磁浮列車,，由于電磁吸力和懸浮氣隙之間成非線性反比關(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型磁浮列車的控制關(guān)鍵,。從控制理論上講，有線性控制理論和非線性控制理論,。應(yīng)用不同的控制理論對磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合都應(yīng)該得到類似的結(jié)果,，但不同方法所帶來的有效性、直觀性和簡便性卻不盡相同,，尤其在實(shí)現(xiàn)方式上,。
　　在實(shí)現(xiàn)手段上,對于復(fù)雜的控制理論來說，用數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式肯定比模擬實(shí)現(xiàn)方式方便,。而磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)本身就是個復(fù)雜系統(tǒng),，這自然就對數(shù)字控制器提出了較高的要求,。磁浮列車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隨著溫度的改變而改變,，這就意味著，一個模擬控制器的性能在0℃時和70℃時會大不一樣,，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有,。此外，對于磁浮列車模擬控制器電路來說,，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懸浮控制系統(tǒng)的性能，但對于用數(shù)字信號處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器,，它們所帶來的影響要小得多,。而且，DSP電路還可以通過編程來檢測和補(bǔ)償模擬系統(tǒng)的變化,。
2 數(shù)字信號處理器簡介
　　隨著應(yīng)用的日益廣泛,，DSP(Digital signal processor)已經(jīng)成為許多高級設(shè)計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)部總線結(jié)構(gòu)和特殊的數(shù)字信號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)置了一個通用寄存器堆,、高速程序緩存器(Cache)、專用輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU),、片內(nèi)雙口存儲器,、一個支持并行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,采樣頻率就不可能很高。由于磁浮列車高速運(yùn)行時, 需要傳感器在采樣數(shù)據(jù)時有很好的實(shí)時性,，而傳統(tǒng)的數(shù)字控制器在進(jìn)行浮點(diǎn)處理時,，速度很慢,勢必影響控制效果。但用DSP來實(shí)現(xiàn),，這一問題就不難解決,。
3 基于DSP的懸浮控制器的設(shè)計
　　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,。對整車進(jìn)行分散控制時,單磁鐵懸浮系統(tǒng)的分析和綜合是磁浮列車系統(tǒng)分析和控制的基礎(chǔ),。
　　電磁鐵的可控量為其線圈的端電壓(或者電流),通過改變線圈電流,，改變氣隙磁密, 可改變電磁吸力的大小。在開環(huán)情況下,，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,，只有對電磁鐵的氣隙進(jìn)行反饋控制，才能保持氣隙恒定,?？刂瓶驁D如圖1所示?？刂圃頌椋菏紫韧ㄟ^傳感器實(shí)時檢測電磁鐵的氣隙變化狀態(tài),，并與存儲在EPROM內(nèi)的參考值進(jìn)行比較；然后通過控制器進(jìn)行運(yùn)算處理,，得到綜合控制量,，此信號即是調(diào)節(jié)電磁鐵狀態(tài)的控制信號，調(diào)節(jié)電磁鐵電流,，可以保證電磁鐵始終處于一個動態(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)立的電路來實(shí)現(xiàn)，這勢必增加了電路的復(fù)雜性,，同時也增加了不必要的外界干擾,；而用DSP來作控制器，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，不必破壞原來的硬件電路,。整個硬件電路設(shè)計的框圖如圖2所示,。

　　為了節(jié)省CPU的時間，A/D轉(zhuǎn)換采用中斷查詢的方式,。TMS320C31的中斷包括四個外部中斷,、串行口中斷、定時器中斷和DMA中斷等,。其中四個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2.4kb/s的定時時鐘, 要求每個下降沿觸發(fā)一次中斷,。在這種情況下需要將下降沿轉(zhuǎn)化為一個低電平窄脈沖,，并且保證這個窄脈沖能夠觸發(fā)并且只觸發(fā)一次外部中斷,。
　　TMS320C31在H1時鐘的下降沿檢測中斷引腳, 且每兩個H1時鐘周期便從同一個中斷源接受一次中斷。為使DSP芯片只識別一次中斷,，低電平窄脈沖的寬度必須至少包含1個H1的下降沿,，至多包含2個H1的下將沿, 也就是說窄脈沖的寬度τ必須滿足：
　　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)時鐘是40MHz時,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。
　　同時考慮到AD1674各選通信號均是用CPU的地址線選通,，而它的啟動轉(zhuǎn)換引腳R/C的低電平保持時間至少為100ns, 在這里我們用TMS320C31的外部存儲選通信號引腳/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的低電平時間,。

　　圖4所示的實(shí)驗(yàn)波形是利用本論文設(shè)計的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。圖中單位均為國際單位制,，時間t的單位是秒,，干擾信號是外力，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),，所以我們對氣隙和加速度兩方面進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計,。通過最優(yōu)控制方法設(shè)計出來的反饋系數(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(單個電磁鐵質(zhì)量)
　　電磁鐵匝數(shù):N＝356
　　電磁鐵截面積:A＝210cm2(單個)
　　線圈電阻：R＝1Ω
　　平衡氣隙:s0＝10mm
　　平衡電流:i0＝30A