數(shù)字懸浮控制系統(tǒng)中的降噪方法及FPGA實(shí)現(xiàn)

在磁浮列車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)向架振動(dòng)，同時(shí)電磁鐵因?yàn)殡娏髯兓杆贂?huì)產(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(wèn)題。本文在分析傳感器信號(hào)中噪聲特性的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)避開(kāi)主要噪聲持續(xù)時(shí)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。控制的目的是保持電磁鐵與軌道之間的距離恒定，為磁浮列車(chē)提供穩(wěn)定的支撐。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(shí)工作時(shí)最高采親友速率為76ksps，用于采樣傳感器的輸出信號(hào)。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(dòng)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(dòng)。PWM波為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)斷，功率管關(guān)斷時(shí)通過(guò)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(guò)高損壞器件。該電路的特點(diǎn)是：當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)T1、T2導(dǎo)通時(shí)間小于50%時(shí)，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(hào)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(cè)量到的波形，其中2通道顯示的FPGA輸出的PWM驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系：傳感器輸出信號(hào)上的噪聲在每個(gè)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(kāi)始出現(xiàn)，時(shí)間大約持續(xù)3μs.

該噪聲是由功率管開(kāi)關(guān)動(dòng)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(shí)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(huì)對(duì)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(duì)其無(wú)能為力。

通常采用多次采樣取中間值的辦法來(lái)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(gè)缺點(diǎn)：（1）信號(hào)采集所需時(shí)間長(zhǎng)，影響總的計(jì)算時(shí)間；（2）得出的信號(hào)序列不是等間隔的，無(wú)法對(duì)信號(hào)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(shí)刻與PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(gè)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(xiě)入，對(duì)應(yīng)PWM波的高電平寬度，即控制量。參照?qǐng)D4，當(dāng)TM1計(jì)滿(mǎn)時(shí)會(huì)同時(shí)觸發(fā)下列動(dòng)作：（1）PWM波的輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，驅(qū)動(dòng)IGBT；（2）啟動(dòng)TM1從0開(kāi)始計(jì)數(shù)；（3）啟動(dòng)TM2從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。而當(dāng)TM2計(jì)滿(mǎn)后，會(huì)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(duì)應(yīng)TM1的計(jì)滿(mǎn)脈沖P11、P12...的噪聲是周期性的，且與PWM周期相同；（2）對(duì)應(yīng)TM2的計(jì)滿(mǎn)脈沖P21、P22...的噪聲也是每個(gè)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(gè)PWM周期內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次A/D采樣。

(2)在FPGA內(nèi)設(shè)置第三個(gè)計(jì)數(shù)器TM3。

(3)當(dāng)TM1的計(jì)滿(mǎn)脈沖到來(lái)時(shí)，啟動(dòng)TM3從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。

(4)TM3的計(jì)數(shù)值設(shè)為5μs，用它的計(jì)滿(mǎn)脈沖去啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

(5)A/D芯片完成轉(zhuǎn)換后，通過(guò)中斷通知DSP讀取數(shù)據(jù)。

該算法的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)每個(gè)PWM周期采樣一次信號(hào)，則采樣頻率為20kHz。而磁懸浮控制系統(tǒng)的頻帶比較窄，ff system fsample成立，可見(jiàn)這樣的采樣頻率充分滿(mǎn)足控制的要求。





(2)PWM波的上升是周期性的，因而A/D芯片啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的時(shí)間也是周期性的，采樣到的數(shù)據(jù)是等間隔的。

(3)A/D芯片MAX125有鎖存功能，鎖存模擬信號(hào)大約需要1μs，在算法中，鎖存動(dòng)作在PWM上升沿后的第5μs開(kāi)始，第6μs結(jié)束。從圖3可以看出，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)模擬信號(hào)上的強(qiáng)噪聲已經(jīng)消失，不會(huì)被采樣到。這就是算法的核心思想——避開(kāi)強(qiáng)噪聲再進(jìn)行采樣。

那么，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)由于PWM的有效電平持續(xù)時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致A/D采樣到IGBT關(guān)斷動(dòng)作產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲呢？存在這種可能。但這可以通過(guò)在控制算法中采取措施避免。當(dāng)PWM波的高電平占空比小于50%的時(shí)候，電磁鐵上沒(méi)有電流。因此可以在控制算法中設(shè)定一個(gè)PWM波高電平占空比的下限，這里取30%。這樣絲亮不會(huì)影響控制結(jié)果。PWM頻率為20kHz，則每個(gè)PWM周期最少輸出15μs的高電平。而A/D芯片在PWM波翻轉(zhuǎn)成高電平后的第5μs到第6μs之間進(jìn)行信號(hào)獲取，完全避開(kāi)了IGBT關(guān)斷動(dòng)作的影響。

3 算法實(shí)現(xiàn)

在FPGA中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，設(shè)置計(jì)數(shù)周期為5μs。當(dāng)PWM電平由低到高翻轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。計(jì)滿(mǎn)5μs以后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完成以后通過(guò)中斷通知DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5

FPGA電路邏輯說(shuō)明：

輸入信號(hào)為pwm、data[7..0]、wr_addr1、clk_20m，輸出信號(hào)為ad_start。其中pwm為頻率20kHz的PWM波，data[7..0]是dsp的低位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，初始化的時(shí)候通過(guò)它向寄存器寫(xiě)入數(shù)值0x64(即十進(jìn)制的100，1s 20M х100=5 μs)，wr_addr1是寫(xiě)出地址信號(hào)，clk_20m是頻率為20MHz的時(shí)鐘信號(hào)。輸出信號(hào)ad_start用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

在一個(gè)PWM周期到來(lái)的時(shí)候，依次產(chǎn)生以下動(dòng)作：（1）pwm信號(hào)由低變高，觸發(fā)D觸發(fā)器，使能計(jì)數(shù)器，開(kāi)始計(jì)數(shù)。（2）當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到100時(shí)，它的輸出q[]全部變?yōu)?，從而觸發(fā)與其相連的D觸發(fā)器，Q輸出變?yōu)?。（3）下一個(gè)clk_20m的時(shí)鐘將該觸發(fā)器的Q輸出恢復(fù)成1。這樣就在ad_start信號(hào)線(xiàn)上形成了一個(gè)脈沖，用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。（4）與此同時(shí)，Q變使得與cnt_en相連的D觸發(fā)器輸出1，禁止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，直到下一次pwm波形變高。

本文所討論的降噪算法及其硬件實(shí)現(xiàn)在磁浮列車(chē)單轉(zhuǎn)向架上進(jìn)行了試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比可以看出，采用降噪算法以后懸浮系統(tǒng)的振動(dòng)明顯降低，噪聲也減小到能夠承受的范圍。以上通過(guò)分析系統(tǒng)中的噪聲特性，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)避開(kāi)主要噪聲持續(xù)時(shí)間進(jìn)行采樣的降噪算法，并通過(guò)FPGA進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明該方法明顯降低了噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明該方法明顯降低了噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了控制性能。該方法適用于采用半橋驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一類(lèi)的功率放大電路。