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)時間進行A/D采樣的方法，詳細討論了該方法的原理與實現(xiàn)。實踐表明，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，同時電磁鐵因為電流變化迅速會產(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)時間進行A/D采樣的方法。實驗證明了該方法的有效性和實用性。

　　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，為磁浮列車提供穩(wěn)定的支撐。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，用于控制算法的計算。FPGA采用ALTERA公司的EPF6016，用于產(chǎn)生PWM波和實現(xiàn)一些輔助功能。傳感器包括間隙傳感器和電流傳感器。

　　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。

　　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，甚至會導(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：

　　（1）信號采集所需時間長，影響總的計算時間；

　　（2）得出的信號序列不是等間隔的，無法對信號進行差分運算。這些缺點直接影響了控制器的設(shè)計，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)生機理。FPGA中設(shè)置了兩個計數(shù)器，計數(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；計數(shù)器2（TM2）的計數(shù)值由DSP寫入，對應(yīng)PWM波的高電平寬度，即控制量。

　　當TM1計滿時會同時觸發(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開始計數(shù)；

　　（3）啟動TM2從0開始計數(shù)。而當TM2計滿后，會觸發(fā)PWM波的輸出翻轉(zhuǎn)為低電平，關(guān)斷IGBT。

　　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)對信號進行一次A/D采樣。

　�。�2）在FPGA內(nèi)設(shè)置第三個計數(shù)器TM3.

　�。�3）當TM1的計滿脈沖到來時，啟動TM3從0開始計數(shù)。

　　（4）TM3的計數(shù)值設(shè)為5μs，用它的計滿脈沖去啟動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)點是：

　　（1）每個PWM周期采樣一次信號，則采樣頻率為20kHz.而磁懸浮控制系統(tǒng)的頻帶比較窄。

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

　�。�3）A/D芯片MAX125有鎖存功能，鎖存模擬信號大約需要1μs，在算法中，鎖存動作在PWM上升沿后的第5μs開始，第6μs結(jié)束。

　　那么，會不會出現(xiàn)由于PWM的有效電平持續(xù)時間過短，導(dǎo)致A/D采樣到IGBT關(guān)斷動作產(chǎn)生的強噪聲呢？存在這種可能。但這可以通過在控制算法中采取措施避免。當PWM波的高電平占空比小于50%的時候，電磁鐵上沒有電流。因此可以在控制算法中設(shè)定一個PWM波高電平占空比的下限，這里取30%.這樣絲亮不會影響控制結(jié)果。PWM頻率為20kHz，則每個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之間進行信號獲取，完全避開了IGBT關(guān)斷動作的影響。

　　3、算法實現(xiàn)在FPGA中設(shè)置一個定時器

　　設(shè)置計數(shù)周期為5μs.當PWM電平由低到高翻轉(zhuǎn)時，啟動計數(shù)器開始計數(shù)。計滿5μs以后啟動A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完成以后通過中斷通知DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

　　在一個PWM周期到來的時候，依次產(chǎn)生以下動作：

　�。�1）pwm信號由低變高，觸發(fā)D觸發(fā)器，使能計數(shù)器，開始計數(shù)。

　�。�2）當計數(shù)器計到100時，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clk_20m的時鐘將該觸發(fā)器的Q輸出恢復(fù)成1.這樣就在ad_start信號線上形成了一個脈沖，用于啟動A/D轉(zhuǎn)換。

　　（4）與此同時，Q變使得與cnt_en相連的D觸發(fā)器輸出1，禁止計數(shù)器計數(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現(xiàn)在磁浮列車單轉(zhuǎn)向架上進行了試驗。通過對比可以看出，采用降噪算法以后懸浮系統(tǒng)的振動明顯降低，噪聲也減小到能夠承受的范圍。以上通過分析系統(tǒng)中的噪聲特性，設(shè)計了一種通過避開主要噪聲持續(xù)時間進行采樣的降噪算法，并通過FPGA進行了實現(xiàn)。通過實驗，證明該方法明顯降低了噪聲對系統(tǒng)的影響。通過實驗，證明該方法明顯降低了噪聲對系統(tǒng)的影響，提高了控制性能。該方法適用于采用半橋驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)一類的功率放大電路。