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。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。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。該電路的特點是：當一個周期內(nèi)T1、T2導通時間小于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，甚至會導致系統(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。
