2012年二级建造师考试矿业工程：数字悬浮控制系统中的降噪方法及实现
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在磁浮列车的工程实践中，电磁噪声的存在明显降低了悬浮控制系统的性能，导致列车转向架振动，同时电磁铁因为电流变化迅速会产生很大的噪声，因而必须采取措施减小噪声的影响。但是，一般的滤波器设计并不能很好地解决问题。本文在分析传感器信号中噪声特性的基础上，提出了通过避开主要噪声持续时间进行A/D采样的方法。实验证明了该方法的有效性和实用性。
1 系统组成
悬浮控制系统由DSP、FPGA、A/D转换器、传感器、功率斩波器和电磁铁等单元组成。控制的目的是保持电磁铁与轨道之间的距离恒定，为磁浮列车提供稳定的支撑。系统结构见图1.其中A/D转换器采用MAXIM公司的MAX125，它是一种带同步锁存的14位4输入A/D转换芯片，4路同时工作时最高采亲友速率为76ksps，用于采样传感器的输出信号。DSP采用ADI公司的ADSP2181，用于控制算法的计算。FPGA采用ALTERA公司的EPF6016，用于产生PWM波和实现一些辅助功能。传感器包括间隙传感器和电流传感器。功能驱动彩IGBT组成的半H桥网络，功率管T1、T2由PWM波形驱动。PWM波为高电平时导通，低电平时关断，功率管关断时通过功率二极管D1、D2续流。A是吸引网络，防止反冲电压过高损坏器件。该电路的特点是：当一个周期内T1、T2导通时间小于50%时，电磁铁上电流为0. 2降噪算法原理在悬浮控制系统中，噪声具有其自身的显着特片。观察间隙、电流等传感器的输出信号可以看到，除了幅值不大的白噪声外，主要是与斩波器PWM频率相关的脉冲噪声。图3是试验中示波器测量到的波形，其中2通道显示的FPGA输出的PWM驱动波形，1通道显示的是间隙传感器的输出波形。从该图可以看出二者之间的对应关系：传感器输出信号上的噪声在每个PWM周期内出现两次，分别在PWM电平翻转(低-高，高-低)1μs之后开始出现，时间大约持续3μs.该噪声是由功率管开关动作引起的，幅值很大是影响悬浮性能的主要噪声。它并不是白噪声，在时域上它是具有很大能量和一定宽度的脉冲，一旦被采样到，就会对控制性能产生较大影响，甚至会导致系统失控;在频域上，它的频谱分布在从低频到高频的较大范围内，一般的滤波方法对其无能为力。
通常采用多次采样取中间值的办法来消除强噪声的影响。这种方法在克服噪声方面是有效的，但存在两个缺点
(1)信号采集所需时间长，影响总的计算时间;
(2)得出的信号序列不是等间隔的，无法对信号进行差分运算。这些缺点直接影响了控制器的设计，因而必须寻找新的解决途径。
如前所述，悬浮控制系统中强噪声出现的时刻与PWM波驱动信号密切相关。下面分析FPGA中PWM波的产生机理。FPGA中设置了两个计数器，计数器1(TM1)产生固定频率的脉冲，即PWM波的频率，系统中是20kHz;计数器2(TM2)的计数值由DSP写入，对应PWM波的高电平宽度，即控制量，当TM1计满时会同时触发下列动作
(1)PWM波的输出翻转为高电平，驱动IGBT;
(2)启动TM1从0开始计数;
(3)启动TM2从0开始计数。
而当TM2计满后，会触发PWM波的输出翻转为低电平，关断IGBT，可以看出两点
(1)对应TM1的计满脉冲P11、P12……的噪声是周期性的，且与PWM周期相同;
(2)对应TM2的计满脉冲P21、P22……的噪声也是每个PWM周期出现一次，但由于TM2每次计数的值不同，噪声不是周期性的。
基于以上分析，本文提出了如下A/D要样算法
(1)在每个PWM周期内对信号进行一次A/D采样。
(2)在FPGA内设置第三个计数器TM3。
(3)当TM1的计满脉冲到来时，启动TM3从0开始计数。
(4)TM3的计数值设为5μs，用它的计满脉冲去启动A/D转换。
(5)A/D芯片完成转换后，通过中断通知DSP读取数据。
该算法的优点是
(1)每个PWM周期采样一次信号，则采样频率为20kHz.而磁悬浮控制系统的频带比较窄，ffsystemfsample成立，可见这样的采样频率充分满足控制的要求。
(2)PWM波的上升是周期性的，因而A/D芯片启动转换的时间也是周期性的，采样到的数据是等间隔的。
(3)A/D芯片MAX125有锁存功能，锁存模拟信号大约需要1μs，在算法中，锁存动作在PWM上升沿后的第5μs开始，第6μs结束。从图3可以看出，这个时间段内模拟信号上的强噪声已经消失，不会被采样到。这就是算法的核心思想——避开强噪声再进行采样。
那么，会不会出现由于PWM的有效电平持续时间过短，导致A/D采样到IGBT关断动作产生的强噪声呢?存在这种可能。但这可以通过在控制算法中采取措施避免。当PWM波的高电平占空比小于50%的时候，电磁铁上没有电流。因此可以在控制算法中设定一个PWM波高电平占空比的下限，这里取30%.这样丝亮不会影响控制结果。PWM频率为20kHz，则每个PWM周期最少输出15μs的高电平。而A/D芯片在PWM波翻转成高电平后的第5μs到第6μs之间进行信号获取，完全避开了IGBT关断动作的影响。
2 算法实现
在FPGA中设置一个定时器，设置计数周期为5μs.当PWM电平由低到高翻转时，启动计数器开始计数。计满5μs以后启动A/D转换。A/D转换完成以后通过中断通知DSP读取A/D转换的结果。具体设计见图5.图5 FPGA电路逻辑说明：输入信号为pwm、data[7……0]、wr_addr1、clk_20m，输出信号为ad_start.其中pwm为频率20kHz的PWM波，data[7……0]是dsp的低位数据总线，初始化的时候通过它向寄存器写入数值0x64(即十进制的100，1s20Mх100=5μs)，wr_addr1是写出地址信号，clk_20m是频率为20MHz的时钟信号。输出信号ad_start用于启动A/D转换。
在一个PWM周期到来的时候，依次产生以下动作
(1)pwm信号由低变高，触发D触发器，使能计数器，开始计数。
(2)当计数器计到100时，它的输出q全部变为0，从而触发与其相连的D触发器，Q输出变为0。
(3)下一个clk_20m的时钟将该触发器的Q输出恢复成1.这样就在ad_start信号线上形成了一个脉冲，用于启动A/D转换。
(4)与此同时，Q变使得与cnt_en相连的D触发器输出1，禁止计数器计数，直到下一次pwm波形变高。
所讨论的降噪算法及其硬件实现在磁浮列车单转向架上进行了试验。通过对比可以看出，采用降噪算法以后悬浮系统的振动明显降低，噪声也减小到能够承受的范围。以上通过分析系统中的噪声特性，设计了一种通过避开主要噪声持续时间进行采样的降噪算法，并通过FPGA进行了实现。通过实验，证明该方法明显降低了噪声对系统的影响。通过实验，证明该方法明显降低了噪声对系统的影响，提高了控制性能。该方法适用于采用半桥驱动拓扑结构一类的功率放大电路。