高温超导EMS型混合悬浮控制器的研究与设计

论文摘要

与常导电磁悬浮系统相比，高温超导混合悬浮系统在降低能耗、增大悬浮气隙及节约成本方面具有很大的优势，已逐渐开始被国内外学者所关注研究。本文即是在此背景下，在国家自然科学基金的资助下，结合我校的磁悬浮试验线项目，开展研究。本文以高温超导EMS型混合悬浮系统的悬浮控制器为主要研究对象，着重对混合悬浮控制策略、仿真试验及系统整体软硬件平台实现进行了初步研究，内容主要包括以下几个方面：1、分析了高温超导混合磁悬浮系统的基本原理，建立高温超导混合悬浮系统的相对参考动态模型数学模型和绝对参考动态数学模型。并以相对参考动态数学模型为研究对象，推导出超导与常导混合电磁铁的电压、运动方程和电磁力方程。利用仿真制图，与常导悬浮方案在悬浮气隙、能耗、可靠性等方面进行了比较，验证了超导混合悬浮方案在这几方面的优势。2、提出了两种控制策略：传统PID控制、模糊PID控制，分别从控制原理、控制器的设计、仿真试验、性能分析等方面对两种控制策略进行了分析比较与研究，通过引入电磁噪声、突加负载、减小悬浮气隙等各种扰动测试系统的动态响应，观察比较PID控制与模糊PID控制在系统动态特性、稳态精度及鲁棒性方面的差异。3、应用TI公司高性能控制DSP—TMS320F2812，提出了系统的双DSP设计方案，以分别实现悬浮控制和诊断检测，通过诊断DSP与PC上位机连接实现系统在线调试功能。详细阐述了包括信号前期处理电路、DSP控制电路、D／A转换电路、PWM产生电路等悬浮控制模块的硬件实现过程；给出了以CAN总线为主包括RS-232及RS-485三种通讯协议方式的系统通讯方案；通过逻辑控制模块CPLD配合DSP，用高速FIFO实现了双DSP之间的高速数据传输。4、混合悬浮系统中各软件功能模块设计，包括：初始化模块、控制算法模块、IIR数字滤波模块、A／D数据采集模块、PWM输出控制模块、ECAN通讯模块等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 磁浮列车的分类
• §1.1.1 电磁吸力型悬浮（EMS）
• §1.1.2 电动斥力型磁悬浮（EDS）
• §1.2 EMS型混合悬浮技术
• §1.2.1 EMS型混合悬浮技术方案的提出
• §1.2.2 混合EMS悬浮技术的研究现状
• §1.2.3 混合EMS悬浮技术的优点
• §1.3 本文研究内容
• 第二章 超导EMS型混合悬浮系统的原理与建模
• §2.1 超导的特性及其在磁悬浮中的应用
• §2.1.1 超导的基本特性
• §2.1.2 超导高温的应用
• §2.2 混合EMS悬浮控制系统原理
• §2.3 混合EMS悬浮系统动态模型
• §2.3.1 相对参考动态模型
• §2.3.2 平衡点处线性化
• §2.3.3 绝对参考动态模型
• §2.4 超导混合悬浮方案和常导电磁悬浮方案比较
• §2.5 本章小结
• 第三章 超导混合悬浮系统的控制策略及仿真
• §3.1 PID悬浮控制策略
• §3.1.1 数字PID控制算法
• §3.1.2 悬浮PID控制器设计与仿真
• §3.2 模糊PID悬浮控制策略
• §3.2.1 模糊自调整PID控制器的原理及设计
• §3.2.2 模糊自整定PID设计与仿真
• §3.3 本章小结
• 第四章 超导混合悬浮控制器的硬件平台设计
• §4.1 基于DSP的硬件设计
• §4.1.1 DSP数字控制系统特点
• §4.1.2 TMS320F2812主要特征简介
• §4.1.3 TMS320F2812主要外设—EV（事件管理器）
• §4.2 输入采样信号的前期处理
• §4.2.1 信号光耦隔离及电平转换
• §4.2.2 抗混叠低通滤波
• §4.3 D/A转换模块电路
• §4.4 PWM产生电路
• §4.5 系统通讯电路设计
• §4.5.1 RS-232串口通讯接口设计
• §4.5.2 RS-485串口通讯接口设计
• §4.5.3 ECAN通讯接口设计
• §4.6 两DSP之间的通讯接口电路设计
• §4.7 CPLD逻辑控制模块设计
• §4.8 斩波器主电路的设计
• §4.9 位移检测模块设计
• §4.10 本章小结
• 第五章 混合悬浮控制系统的软件设计
• §5.1 超导悬浮系统软件设计要求
• §5.2 基于DSP的软件设计
• §5.3 基于DSP的主要程序模块设计
• §5.3.1 主程序模块
• §5.3.2 初始化模块
• §5.3.3 控制算法程序模块
• §5.3.4 A/D数据采样模块
• §5.3.5 ECAN通讯模块
• §5.3.6 ⅡR滤波模块
• §5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢