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摘要: 為抑制電磁噪聲對懸浮控制系統(tǒng)的影響,介紹了一種通過避開噪聲持續(xù)時間進(jìn)行a/d采樣的方法,詳細(xì)討論了該方法的原理與實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明,它能有效地防止噪聲引入控制系統(tǒng),提高系統(tǒng)的性能   關(guān)鍵詞: 懸浮控制 降噪 a/d采樣 fpga   在磁浮列車的工程實(shí)踐中,電磁噪聲的存在明顯降低了懸浮控制系統(tǒng)的性能,導(dǎo)致列車轉(zhuǎn)向架振動,同時電磁鐵因?yàn)殡娏髯兓杆贂a(chǎn)生很大的噪聲,因而必須采取措施減小噪聲的影響。但是,一般的濾波器設(shè)計(jì)并不能很好地解決問題。本文在分析傳感器信號中噪聲特性的基礎(chǔ)上,提出了通過避開主要噪聲持續(xù)時間進(jìn)行a/d采樣的方法。實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)組成   懸浮控制系統(tǒng)由dsp、fpga、a/d轉(zhuǎn)換器、傳感器、功率斬波器和電磁鐵等單元組成??刂频哪康氖潜3蛛姶盆F與軌道之間的距離恒定,為磁浮列車提供穩(wěn)定的支撐。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。其中a/d轉(zhuǎn)換器采用maxim公司的max125,它是一種帶同步鎖存的14位4輸入a/d轉(zhuǎn)換芯片,4路同時工作時最高采親友速率為76ksps,用于采樣傳感器的輸出信號。dsp采用adi公司的adsp2181,用于控制算法的計(jì)算。fpga采用altera公司的epf6016,用于產(chǎn)生pwm波和實(shí)現(xiàn)一些輔助功能。傳感器包括間隙傳感器和電流傳感器。功能驅(qū)動彩igbt組成的半h橋網(wǎng)絡(luò),如圖2所示。功率管t1、t2由pwm波形驅(qū)動。pwm波為高電平時導(dǎo)通,低電平時關(guān)斷,功率管關(guān)斷時通過功率二極管d1、d2續(xù)流。圖中的a是吸引網(wǎng)絡(luò),防止反沖電壓過高損壞器件。該電路的特點(diǎn)是:當(dāng)一個周期內(nèi)t1、t2導(dǎo)通時間小于50%時,電磁鐵上電流為0。 2 降噪算法原理   在懸浮控制系統(tǒng)中,噪聲具有其自身的顯著特片。觀察間隙、電流等傳感器的輸出信號可以看到,除了幅值不大的白噪聲外,主要是與斬波器pwm頻率相關(guān)的脈沖噪聲。圖3是試驗(yàn)中示波器測量到的波形,其中2通道顯示的fpga輸出的pwm驅(qū)動波形,1通道顯示的是間隙傳感器的輸出波形。從該圖可以看出二者之間的對應(yīng)關(guān)系:傳感器輸出信號上的噪聲在每個pwm周期內(nèi)出現(xiàn)兩次,分別在pwm電平翻轉(zhuǎn)(低-高,高-低)1μs之后開始出現(xiàn),時間大約持續(xù)3μs.   該噪聲是由功率管開關(guān)動作引起的,幅值很大是影響懸浮性能的主要噪聲。它并不是白噪聲,在時域上它是具有很大能量和一定寬度的脈沖,一旦被采樣到,就會對控制性能產(chǎn)生較大影響,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失控;在頻域上,它的頻譜分布在從低頻到高頻的較大范圍內(nèi),一般的濾波方法對其無能為力。   通常采用多次采樣取中間值的辦法來消除強(qiáng)噪聲的影響。這種方法在克服噪聲方面是有效的,但存在兩個缺點(diǎn):(1)信號采集所需時間長,影響總的計(jì)算時間;(2)得出的信號序列不是等間隔的,無法對信號進(jìn)行差分運(yùn)算。這些缺點(diǎn)直接影響了控制器的設(shè)計(jì),因而必須尋找新的解決途徑。   如前所述,懸浮控制系統(tǒng)中強(qiáng)噪聲出現(xiàn)的時刻與pwm波驅(qū)動信號密切相關(guān)。下面分析fpga中pwm波的產(chǎn)生機(jī)理。fpga中設(shè)置了兩個計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器1(tm1)產(chǎn)生固定頻率的脈沖,即pwm波的頻率,系統(tǒng)中是20khz;計(jì)數(shù)器2(tm2)的計(jì)數(shù)值由dsp寫入,對應(yīng)pwm波的高電平寬度,即控制量。參照圖4,當(dāng)tm1計(jì)滿時會同時觸發(fā)下列動作:(1)pwm波的輸出翻轉(zhuǎn)為高電平,驅(qū)動igbt;(2)啟動tm1從0開始計(jì)數(shù);(3)啟動tm2從0開始計(jì)數(shù)。而當(dāng)tm2計(jì)滿后,會觸發(fā)pwm波的輸出翻轉(zhuǎn)為低電平,關(guān)斷igbt。

  從圖4中可以看出兩點(diǎn):(2)對應(yīng)tm1的計(jì)滿脈沖p11、p12...的噪聲是周期性的,且與pwm周期相同;(2)對應(yīng)tm2的計(jì)滿脈沖p21、p22...的噪聲也是每個pwm周期出現(xiàn)一次,但由于tm2每次計(jì)數(shù)的值不同,噪聲不是周期性的。 基于以上分析,本文提出了如下a/d要樣算法: (1)在每個pwm周期內(nèi)對信號進(jìn)行一次a/d采樣。 (2)在fpga內(nèi)設(shè)置第三個計(jì)數(shù)器tm3。 (3)當(dāng)tm1的計(jì)滿脈沖到來時,啟動tm3從0開始計(jì)數(shù)。 (4)tm3的計(jì)數(shù)值設(shè)為5μs,用它的計(jì)滿脈沖去啟動a/d轉(zhuǎn)換。 (5)a/d芯片完成轉(zhuǎn)換后,通過中斷通知dsp讀取數(shù)據(jù)。 該算法的優(yōu)點(diǎn)是:   (1)每個pwm周期

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