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数字单周期电流控制在电磁悬浮系统中的应用

蒋启龙;梁达;阎枫

【摘要】在串级控制的电磁悬浮系统中,电流环的响应速度和精度对整个悬浮控制

起着至关重要的作用.为了加快悬浮系统电流环的响应速度以及减小跟随误差,基于

TMS320F28335设计了EMS(electromagneticsuspensionsystem)的数字单周

期控制(digitalone-cyclecontrol,D-OCC)电流控制器.以悬浮斩波器为研究对象,

建立起D-OCC的数学模型,对额定悬浮工作点处斩波器电流的D-OCC算法进行了

详细推导;通过Simulink平台对算法进行仿真验证,并将D-OCC的电流环投入到实

际悬浮系统中进行悬浮实验.实验结果表明:对频率为5Hz,幅值为3A的方波信号进

行跟随时,传统PID控制在方波上升沿和下降沿均存在一定的超调,且稳定后存在不

小于20mA的跟随误差,D-OCC在调节过程中不存在超调,且稳定后没有跟随误差,

说明D-OCC算法能够实现对指令电流快速、准确跟随;采用电流环D-OCC的悬浮

系统起浮过程需要约0.4s的调整时间,并且悬浮稳定后可以克服50％荷载扰动和

1.5mm气隙扰动,说明该方法可以实现系统稳定悬浮,且具有较强的鲁棒性能.

【期刊名称】《西南交通大学学报》

【年(卷),期】2019(054)001

【总页数】10页(P封2,1-8,22)

【关键词】电磁悬浮系统;串级控制;电流环;斩波器;D-OCC

【作者】蒋启龙;梁达;阎枫

【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都611756;西南交通大学电气工

程学院,四川成都611756;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,四川成都

611756;西南交通大学电气工程学院,四川成都611756

【正文语种】中文

【中图分类】V221.3

电磁吸力悬浮系统具有非线性、不自稳的特点，为达到稳定悬浮的目的，一般采用

气隙-电流双环控制，其中气隙外环根据气隙指令和实际气隙通过一定控制律获得

电流指令信号；电流内环依据电流指令信号调节电磁铁线圈中电流，进而改变电磁

吸力大小，最终实现系统稳定悬浮[1].电磁铁线圈属于大感性负载，会限制电流响

应速度和跟随精度，从而影响到系统悬浮效果[2].电流环的作用就是让线圈电流快

速、准确地跟随指令电流信号.

为满足悬浮系统要求，电流环应具备以下特点：（1）在噪声限制允许的范围内，

电磁铁电流能够快速、精确地跟随指令电流[3]；（2）有较强的鲁棒特性，以增

强系统的抗扰动性能[4]；（3）电流纹波应尽可能小，以避免悬浮力波动[5].在现

存的电流控制中，基于bang-bang控制原理的电流环时间最优控制具有跟踪速度

快的优点，但误差带较大，系统在受到随机扰动时极易失稳；次速电流控制结合了

最速电流控制和PI控制的优势，电流调整速度与最速电流控制相当，且克服了最

速电流控制抗干扰性能差的缺点[6]，但存在参数不易整定及控制状态切换点难以

选择的不足，且达到稳态时会存在一定的跟随误差.为了改善电流响应性能，程金

路等[7]和张东升等[8]分别采用有限拍算法和三步电流控制法来加速电流响应，但

都存在计算复杂的缺点.

数字单周期控制理论是20世纪90年代初提出的一种非线性大信号PWM

（pulsewidthmodulation）控制理论[9]，其基本控制思想是保证每一个开关周

期中开关变量与控制参考量相等或成比例.该方法被广泛运用在电压型控制AC-

DC和DC-DC功率变换器的控制中，且主要通过模拟电路来实现[10-11].由于单

周期控制存在实现简单、鲁棒性强的优点，近年来有学者致力于单周期控制方法的

数字化实现[12-16].文献[17-18]基于对一个开关周期电流波形高速多次采样，构

建了数字形式的积分器来实现数字单周期控制（digitalone-cyclecontrol，D-

OCC）；文献[19]在一个开关周期内对电流采样一次，并假设该开关期间电流为常

数，忽略了开关周期内电感电流的变化，对系统瞬态性能的影响.上述内容中，D-

OCC方法都是在AC-DC电路中实现的，对此文献[20]提出将单周期算法应