??? 摘? 要: 基于機(jī)械振動(dòng)理論和控制理論,以TMS320F2407為核心處理器建立了一種數(shù)字式主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)硬件電路,并用軟件實(shí)現(xiàn)了控制策略。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)有效地解決了主動(dòng)振動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性" title="實(shí)時(shí)性">實(shí)時(shí)性問(wèn)題,并使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,隔振效能大大提高。?
??? 關(guān)鍵詞: 主動(dòng)振動(dòng)控制? TMS320F2407? 實(shí)時(shí)性
?
??? 主動(dòng)振動(dòng)控制具有隔振率高、適應(yīng)性強(qiáng)、可抗強(qiáng)沖擊振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),可使關(guān)鍵設(shè)備在惡劣沖擊振動(dòng)環(huán)境下可靠工作。但是,主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)相位要求較為嚴(yán)格,要求系統(tǒng)具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,否則由于相位滯后,控制效果將會(huì)受到嚴(yán)重影響。因而在數(shù)字式主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)中,通常的單片機(jī)難以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求,本文采用高速DSP器件解決控制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。
??? TMS320LF2407是TI公司專為實(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)的高性能16位定點(diǎn)DSP器件,指令周期為33ns,其內(nèi)部集成了前端采樣A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器和后端PWM輸出硬件,在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)可簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。本文在總結(jié)模擬主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[1],設(shè)計(jì)了以TMS320F2407為核心的數(shù)字式主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)。?
1 主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型?
1.1 控制系統(tǒng)工作原理?
??? 主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)模型如圖1所示。隔振對(duì)象通過(guò)彈性體與基礎(chǔ)相連接,基礎(chǔ)振動(dòng)(振幅為u)通過(guò)彈性體(剛度為k)傳遞到隔振對(duì)象上,引起隔振對(duì)象振動(dòng)。傳感器置于二者之間檢測(cè)相對(duì)位移并輸入到控制器,控制器輸出的控制量經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)后輸出到電磁作動(dòng)器控制隔振對(duì)象的振動(dòng),同時(shí)控制器根據(jù)隔振對(duì)象的加速度反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制參數(shù)" title="控制參數(shù)">控制參數(shù)。?
?
?
1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述?
??? 根據(jù)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理建立的系統(tǒng)振動(dòng)模型如式(1)所示。為使隔振對(duì)象加速度
最小,控制力f的計(jì)算式如式(2)所示。其中,u-x為基礎(chǔ)和隔振對(duì)象相對(duì)位移,可通過(guò)光電位移傳感器(PSD)測(cè)得。?
??? 
式中,m為隔振對(duì)象質(zhì)量,為隔振對(duì)象加速度,
為基礎(chǔ)加速度,k為隔振彈性體剛度,c為隔振系統(tǒng)阻尼。?
??? 系統(tǒng)作用力f由置于氣隙磁場(chǎng)中的載流線圈提供。當(dāng)在線圈上施加電壓v時(shí),其上的咯倫茲力f和施加電壓V如式(3)和式(4)所示。?
??? 
式中,b為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度,l為線圈有效長(zhǎng)度,i為線圈電流,r為線圈電阻,l′為線圈電感。?
2 控制策略及控制器?
2.1 控制策略?
??? 根據(jù)系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型可計(jì)算出控制電壓輸出,如式(5)所示。?
??? 
式中,s為相對(duì)位移u-x,
分別為相對(duì)位移的一次微分和二次微分。在實(shí)際應(yīng)用中,上述控制參數(shù)并不能準(zhǔn)確得出,而且有些參數(shù)如彈性體剛度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等并不是恒定值。在控制過(guò)程中,先以估算值作為初始值,再以一定控制算法" title="控制算法">控制算法(自整定PID),根據(jù)加速度反饋,對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。?
2.2? 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)?
??? 控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。位移傳感器(PSD)輸出信號(hào)經(jīng)由信號(hào)處理電路、加速度傳感器輸出信號(hào)經(jīng)由電荷放大器后,再分別通過(guò)TMS320F2407中的A/D轉(zhuǎn)換器輸入到DSP核心中。DSP核心根據(jù)加速度反饋修正控制參數(shù),由位移輸入計(jì)算出控制量,進(jìn)行PWM調(diào)制后送到PWM功率驅(qū)動(dòng)部分,由功率驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)電磁作動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)控制。?
?
?
2.2.1 DSP及存儲(chǔ)器?
??? F2407中集成了32K字的FLASH EEPROM和1.5K字的RAM,由于控制算法的需要,本系統(tǒng)需擴(kuò)充外部RAM。TMS320?F2407片內(nèi)的FLASH可用作程序存儲(chǔ)器,但在開(kāi)發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲(chǔ)器極為不便,因?yàn)槊恳淮纬绦虻男薷亩夹枰獙?duì)FLASH進(jìn)行清除、擦除和編程操作,而且進(jìn)行CCS調(diào)試時(shí)只能設(shè)置硬件斷點(diǎn),故從調(diào)試的角度考慮,應(yīng)擴(kuò)充程序RAM。為了不增加系統(tǒng)復(fù)雜度,從擴(kuò)充的數(shù)據(jù)RAM中分出一塊作為調(diào)試時(shí)的程序RAM。如圖3所示,CY7C1021為64K×16的SRAM,存取時(shí)間最小為10ns,故不需要插入等待周期,可保證系統(tǒng)全速運(yùn)行。?
??? 在調(diào)試時(shí),用跳線短接PS和與門(mén)輸入腳,在存儲(chǔ)映像文件中將CY7C1021前32K字設(shè)為數(shù)據(jù)RAM,后32K字設(shè)為程序RAM,可將程序?qū)崟r(shí)下載到程序RAM中進(jìn)行調(diào)試,避免了對(duì)FLASH的繁瑣操作。當(dāng)開(kāi)發(fā)完成時(shí)將VCC和與門(mén)短接,同時(shí)修改映像文件,將64K RAM全部用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,而將程序?qū)懭雰?nèi)部FLASH中,系統(tǒng)即可脫離開(kāi)發(fā)環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。?
2.2.2 傳感器處理電路及A/D變換?
??? 加速度傳感器和位移傳感器輸出需進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)行A/D變換。前者輸出電荷信號(hào),應(yīng)用電荷放大器將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),后者輸出微弱的電流信號(hào)(數(shù)個(gè)微安),進(jìn)行前置放大及相關(guān)模擬處理后得到表示位移的模擬電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)處理的此二路信號(hào)分別送入DSP片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的1、2通道進(jìn)行模/數(shù)變換。?
2.2.3 PWM調(diào)制及驅(qū)動(dòng)?
??? 核心程序計(jì)算出控制量后進(jìn)行PWM調(diào)制、功率驅(qū)動(dòng)后輸出到作動(dòng)器中。PWM調(diào)制在片內(nèi)完成,而功率驅(qū)動(dòng)則需依靠外加的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)完成。商品化的PWM驅(qū)動(dòng)器體積龐大、價(jià)格昂貴,在此采用了自制的小功率PWM驅(qū)動(dòng)器,其電路圖如圖4所示。IR2110完成初次驅(qū)動(dòng),將來(lái)自DSP的TTL電平轉(zhuǎn)化為12V電平輸出,推動(dòng)由四個(gè)功率管IRF3710構(gòu)成的H橋進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,H橋再驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器施加控制力。?
?
?
2.3 控制器軟件?
2.3.1 控制算法?
??? 控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心,要求較高的實(shí)時(shí)性和一定的自適應(yīng)能力。算法由兩部分組成,如圖5所示,上半部分根據(jù)隔振對(duì)象相對(duì)位移輸入完成控制量的計(jì)算,下半部分根據(jù)隔振對(duì)象加速度反饋完成控制參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。算法先根據(jù)式(5)估算出各個(gè)系數(shù)的值,運(yùn)用PID算法根據(jù)隔振對(duì)象加速度反饋輸入依次對(duì)各系數(shù)進(jìn)行校正,得到最優(yōu)的控制參數(shù)。之后脫離PID算法,完全依靠式(5)計(jì)算輸出。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或環(huán)境發(fā)生變化,控制效果變差時(shí),再重新調(diào)用PID校正參數(shù)。這樣既滿足了實(shí)時(shí)性的要求,又提高了適應(yīng)能力。?
?
?
2.3.2 中斷控制?
??? 根據(jù)系統(tǒng)控制要求,A/D需定時(shí)采樣隔振對(duì)象加速度和相對(duì)位移信號(hào),為提高效率,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果以中斷方式讀取。因此中斷控制包括定時(shí)器中斷控制和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷控制。?
??? TMS320F2407有二級(jí)中斷服務(wù)程序,分別為通用中斷服務(wù)程序GISR和特定中斷服務(wù)程序SISR[2]。所有可屏蔽中斷分為六級(jí)(INT1-INT6),如圖6所示。中斷產(chǎn)生時(shí),系統(tǒng)通過(guò)通用中斷向量表自動(dòng)跳到該中斷所屬級(jí)別的GISR中,在GISR中,讀取外設(shè)中斷向量寄存器PIVR的值,根據(jù)外設(shè)中斷向量表,使程序跳轉(zhuǎn)到中斷對(duì)應(yīng)的SISR中。所以進(jìn)行中斷處理需要二級(jí)中斷向量表(通用中斷向量表和外設(shè)中斷向量表)和二級(jí)中斷服務(wù)程序(GISR和SISR)。其中,通用中斷向量表必須映射到零地址開(kāi)始的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)空間中。
?
?
2.3.3 PWM及A/D轉(zhuǎn)換接口程序?
??? PWM接口程序?qū)崿F(xiàn)PWM初始化,控制輸出的PWM調(diào)制、載波頻率、死區(qū)寬度等參數(shù)的功能。A/D轉(zhuǎn)換接口程序包括A/D轉(zhuǎn)換初始化、轉(zhuǎn)換的通道選擇、定時(shí)啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取等部分[2]。?
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試?
??? 根據(jù)課題的要求,對(duì)5Hz～2kHz范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行控制。按照采樣定理的規(guī)定,采樣頻率應(yīng)大于4kHz,為精確控制,將系統(tǒng)采樣頻率擴(kuò)大到原來(lái)的2.5倍,達(dá)到10kHz,即系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換、控制算法、PWM調(diào)制均要求在100μs以內(nèi)完成。TMS320F2407內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換周期可達(dá)到500ns(2MHz),PWM亦有較高響應(yīng)速度,經(jīng)過(guò)測(cè)試,A/D轉(zhuǎn)換器和PWM完全可以滿足要求。DSP工作在30MHz時(shí)鐘下時(shí),速度為30MIPS,故控制算法要求不能超過(guò)3000條匯編指令,由于控制算法的簡(jiǎn)化和去除了浮點(diǎn)運(yùn)算,實(shí)際程序沒(méi)有超過(guò)2000條指令。?
??? 本設(shè)計(jì)解決了主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題,提高了系統(tǒng)適應(yīng)性,簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)隔振率大幅提高。在5Hz-2kHz頻段內(nèi),對(duì)振動(dòng)的隔振率達(dá)到6%以上。?
參考文獻(xiàn)?
1 賈建援.微型硬盤(pán)抗沖擊振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002;29(3)?
2 TMS320F2407,TMS320F2406,TMS320F2402 DSP Controllers.?Texas Instruments Incorporated, 1999.4