基于DSP的机车横向液压半主动减振系统控制器的研究

摘 要：针对减小机车运行时的横向振动及提高旅客乘坐舒适度的问题，采用DSP搭建的控制器对信号采样、滤波、去除趋势项、积分,减小时滞环节，实现对机车横向半主动液压减振系统的实时控制。研究结果表明，通过对加速度传感器得到的控制系统的信号分析和程序设计，所搭建的控制器完全能够解决信号处理中遇到的关键问题；仿真实验结果表明，基于DSP的控制系统提高了机车横向的平稳性。

关键词：DSP； 半主动减振器； 滤波器； 采样频率

中图分类号：

TN876.3-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)19

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Study on DSP-based Controller of Locomotive Lateral Semi-active Damping System

QI Wen-da1, DING Wen-si2

(1. Guangxi Military Region Unit of 75475, Fangchenggang 538037, China； 2. China South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract： For solving the problems of the lateral vibration of locomotive operation and improving the passenger ride comfort, a controller based on DSP was used to sample, filter, remove the trend term and reduce the lag. The results indicate that through analyzing and programming the signal of control system obtained by the acceleration sensors, the constructed controller can solve the key problems in the signal processing. The simulation experimental results indicate that the lateral vibration stability of locomotive is immensely improved by the DSP-based control system.

Keywords： DSP; semi-active damper; filter; sampling frequency

收稿日期：2011-04-02

0 引 言

机车振动问题始终是制约铁路高速化的一个重要因素,国外对铁道机车车辆的主动和半主动减振技术进行了大量的研究，技术还没有完全成熟［1-2］，目前已有部分产品在工程上实际运用，但从此项技术的总体发展来看仍处于研究阶段。国内针对铁道车辆的主动及半主动研究处于刚刚起步的阶段,主要集中在控制策略的研究，而采用的研究方法主要是通过仿真计算，少数研究单位针对减振器件的研究主要集中在电流变、磁流变减振器上。采用半主动控制减振系统是一个既能控制投资，又能改善乘坐舒适性的有效方法，半主动控制能有效改善车辆运行的平稳性,与最优被动悬挂相比,车体横向加速度响应的均方根值降低了20%～25％，加速度最大值降低约40%～50％，横向平稳性指标降低约10%～15％［3］。本文在初步完成横向液压半主动减振器设计的基础上，采用了DSP作为其控制器，对半主动减振系统进行控制。DSP芯片具有强大的数据运算处理性能，采用软件方法实现硬件功能，减少了硬件之间在处理信号时的相互干扰，在A/D、滤波、去除趋势项、控制时滞、实时处理方面都具有比其他处理器更大的优势。

1 横向半主动悬挂系统配置

横向半主动悬挂系统的配置形式如图1所示。每个转向架上对称布置两个横向半主动减振器，每个转向架上方的车体上安置一个横向加速度传感器，用于测量车体的加速度。一台车配置四个减振器、两个横向加速度传感器和一台控制器［4］。

图1 横向半主动悬挂系统的配置图

半主动减振器较被动式减振器的不同之处在于多了一套控制系统，此控制系统由加速度传感器、控制器、两个电磁阀和一个电液比例溢流阀及相应油路组成。天棚控制所需提供减振力的大小、方向及状态转换均是由电磁阀和电液比例溢流阀通过不同的状态组合而得到。

2 控制器设计方案研究

2.1 基于DSP半主动减振器控制系统流程图

半主动减振器控制系统流程图如图2所示。

图2 半主动减振器控制系统流程图

2.2 基于DSP的A/D,D/A 转换

一般测试到的信号均为模拟信号，而处理器只能处理数字信号，所以在模拟信号进入处理器前要进行模数转换。

2.2.1 小信号放大

初级电信号的幅度一般在微伏级。这样小的信号，易受干扰，也不便于用ADC(A/D)转换器转换为数字信号。本控制系统中，在明确了测试信号的大小范围后，再根据集成在DSP芯片的模数转换器的信号输入范围，确定信号要放大的倍数。

2.2.2 信号极性分析

在进行模数转换前必须先明确模数转换器的类型是单极性，还是双极性，而后再根据测试信号是单极性，还是双极性，决定信号是否要进行单极性或双极性处理。由于本系统测试到的信号是双极性，而集成在DSP芯片的模数转换器是单极性［5］，所以必须对直接测试到的信号进行单极性处理。处理方法就是在测试到的信号上叠加一个合适的直流信号，这样就可把双极信号变成单极信号。

2.2.3 抗混叠滤波

在模拟信号最终到达ADC的时候，对模拟信号要进行抗混滤波，使得通带外的信号、干扰被抑制到足够低的水平，这是采样定理所要求的。

2.3 横向振动信号分析及采样频率的选择

2.3.1 横向振动分析

由于车辆系统是复杂的多刚度系统，自由度数目多，列车在运行过程中横向存在着多种运动形式的组合，在曲线上既有所要滤除的横向离心加速度号，又有需要的列车本身的横向振动信号。为了消除各种随机振动对控制上所需的横向加速度信号的影响，必须对加速度传感器测出的信号进行滤波处理。车体横向振动的频率范围为1~4 Hz，频带较窄，这个频率带是影响人体感受舒适度的频带。列车过曲线时离心加速度信号范围的频率仅为0.078 Hz，随着列车运行速度的提高，其频率将增大，但不会超过0.5 Hz，根据国内外的相关资料，截止频率应在0.5~1 Hz之间。

2.3.2 采样频率分析

众所周知，满足不失真的条件是fs>2fh,其中，fs是采样频率;fh是信号最高频率。从控制性能来考虑，采样T应尽可能的短，fs应尽可能的高，但采样频率越高，当高到一定程度时，对控制系统性能的改善就不显著了，同时它还需要运算速度高的CPU及高速的D/A和A/D转换接口等;过短的采样周期还会导致控制系统出现新问题，而且对存储容量的要求也就越大，控制器的工作时间和工作量也随之增加。但是，把采样周期取得大些，在需要控制器工作量一定时，对控制器的运行速度，D/A和A/D转换速度的要求就可以慢些，这样系统成本就会降低。反过来，如果控制器的运算速度、D/A和A/D转换速度一定时，采样周期大些，就可以允许控制器计算更复杂的算法，从这个角度来看，采样周期应取得大些，但过大的采样周期又会使控制系统的性能下降［6］。因此，选取一个合适的采样周期对控制系统的性能至关重要。

2.4 控制时滞的产生、影响

2.4.1 控制时滞的产生

采用天棚阻尼控制策略，要检测车体横向加速度，当中还要通过放大电路及滤波电路等硬件电路，再经过采样，在控制器内还要经过数字滤波、数字积分、矢量运算等，再经过D/A转化及放大器等相关电路，才能把控制信号传给电液比例阀进行控制，再到减振器产生所需要的控制力，所有这些环节都需要耗费一定的时间，延迟了控制时间，造成了不可避免的时滞。时滞的产生环节可以总结为三个部分：

(1) 从加速度信号传感器到开始A/D转化(集成在DSP内)信号传输的时间。

(2) 从控制器A/D转化到D/A转化的时间，等效于几个采样周期之和。

(3) 从D/A转换输出信号到控制力起作用的时间。

2.4.2 控制时滞对横向半主动控制系统的影响

时滞对悬挂系统的减振性能甚至是对系统的稳定性都有不同程度的影响，最终以一定的总时滞体现在控制力上，必须把时滞量控制在最小范围内。对于半主动悬挂控制系统，时滞只引起悬挂系统减振性能变坏，但不会导致半主动悬挂系统失去稳定性，但是随着时滞变大，当增大到一定程度时，半主动悬挂系统的性能趋向被动悬挂系统，这就失去了半主动的意义［7］，所以要减小时滞量，保证系统性能达到最佳，采用具有高速运算能力的DSP芯片后，可以更大限度地减小时滞的影响。

2.5 趋势项的影响及消除方法。

所谓趋势项是指在测试信号中存在线性项或缓变的非线性项成份。趋势项的存在会使数值积分的结果产生很大的误差,严重地背离真实情况,因此,在测试信号(积分求速度、位移时)中常要先消除趋势项,这是积分中一个重要的中间步骤。在此系统中测量信号的趋势项和实际信号周期相比较要长很多，此时可以把测试到的信号进行高通滤波处理，其截止频率应在0.5~1 Hz之间,滤除低频趋势项。

2.6 基于DSP数字滤波器设计

2.6.1 滤波器选择

从横向振动信号分析可知，横向振动的有用信号和噪声信号处于不同的频带内，可以选用具有线性相位的FIR滤波器，h(n)=h(N－1－n)，N为奇数，从而保证信号在传输过程中不会产生失真。由于FIR滤波器没有递归结构运算，因此不会受有限字长效应的影响，永远都是稳定的，同时可节省一半的存储空间。由于采用了DSP芯片设计控制器，为减少趋势项的影响，滤波器过渡带要设计得非常窄。可以设计更高阶数的滤波器，虽然增加了计算量，但充分利用了数字信号处理器高运算速度的特点来弥补，用简单的滤波器设计方法，设计出可用的高阶高精度数字滤波器。

由于FIR滤波器分四种情况，这里采用的是h(n)为偶对称，N为奇数。为此,选用N=1 101，通过Matlab仿真,结果如图3所示。

图3 滤波器仿真结果

从图3可以看出,阻带衰减达到了90 dB，完全达到要求。

2.6.2 软件设计［8］

这是一个乘加运算，结合DSP控制器设计一个合理的滤波程序，实现FIR滤波。

首先从上式可以看出h(n)与x(n)相乘的对应关系， FIR滤波器系数h(n)与信号输入数据x(n)保存在存储的地址空间是不变的，并且保存FIR滤波器系数h(n)地址的内容是不变的，而保存信号输入数据x(n)地址的内容是变化的，x(n)的内容是波浪式存储地址内容变化的过程，即当一个新的输入到来时，首先有这样一个数据传递x(N－1)=x(N－2)，x(N－2)=x(N－3)，…，x(1)=x(0)，然后把新采样到的数据赋给x(0)，这样就可以连续不断地进行滤波。

3 被动与半主动控制动力学仿真

3.1 机车仿真模型

为了解列车采用基于天棚原理的横向半主动减振系统的效果，有必要对其进行模拟仿真研究。为此，建立了高速机车基于横向被动悬挂和横向半主动悬挂的计算机模型。考虑整车的横向计算模型共17 个自由度：

轮对横移及摇头(γi,Ψωi),i=1,4;

转向架构架的横移、侧滚及摇头(γzj,Φzj,Ψzj),j=1，2；

车体的横移、侧滚及摇头(γt,Φt,Ψt)。

整车的动力学方程如下：

利用上述建立的高速机车模型，对国内某型高速机车进行了高速运行下的计算机仿真，其主要参数见表1。

3.2 被动与半主动控制规则

被动控制规则：采用原有车型的被动悬挂参数，减振力计算式为：

3.3 仿真结果对比

从图4,图5车体横向加速度和车体横向速度曲线对比可以看出，半主动控制比被动控制更加平稳，横向振动得到了明显的改善。根据运行平稳性各评定等级评定指标：被动为2.894,半主动为2.764，由此也可以得出半主动控制性能比被动控制性能优越。

图4 被动控制规则

图5 半主动控制规则

4 结 语

本研究把DSP芯片用于机车半主动横向液压减振器控制系统，充分利用了其强大的数字信号处理能力，对信号进行A/D、滤波、去处趋势项等处理，通过仿真实验取得了比被动控制更好的控制效果，这为以后机车振动控制系统控制器的设计研究提供了一定的参考价值，并具有一定的指导意义。

参 考 文 献

［1］ROTH P A, LIZELL M. Lateral semi-active damping system for trains \. Vehicle System Dynamics, 1996, 25(Suppl): 585-595.

［2］NEILL H R, WALE G D. Semi-active suspension improves rail vehicle ride \. Computing& Control Engineering Journal, 1994, 5(4): 183-188.

［3］王月明,吴学杰,张卫华.基于统计最优的车辆悬挂半主动控制的研究［J］.铁道车辆,2002(5)：25-29.

［4］丁问司.机车横向半主动控制液压减振器研究［D］.北京:清华大学,2003.

［5］余泊.DSP在振动信号采集与分析中的应用［J］.测控技术,1998(5)：14-16.

［6］苏涛.实时信号处理系统设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社,2006.

［7］王月明.高速客车半主动悬挂控制技术研究［D］.成都:西南交通大学,2002.

［8］伍小芹,吴秋丽. FIR数字滤波器在DSP上的实现［J］.现代电子技术,2007,30(1)：12-15.

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