??? 摘? 要: 基于機(jī)械振動理論和控制理論,以TMS320F2407為核心處理器建立了一種數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。設(shè)計了該系統(tǒng)硬件電路,并用軟件實現(xiàn)了控制策略。實驗表明,該系統(tǒng)有效地解決了主動振動控制的實時性" title="實時性">實時性問題,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: 主動振動控制? TMS320F2407? 實時性

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??? 主動振動控制具有隔振率高、適應(yīng)性強(qiáng)、可抗強(qiáng)沖擊振動等優(yōu)點,可使關(guān)鍵設(shè)備在惡劣沖擊振動環(huán)境下可靠工作。但是,主動振動控制系統(tǒng)對相位要求較為嚴(yán)格,要求系統(tǒng)具有極強(qiáng)的實時性,否則由于相位滯后,控制效果將會受到嚴(yán)重影響。因而在數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)中,通常的單片機(jī)難以達(dá)到實時性要求,本文采用高速DSP器件解決控制的實時性問題。

??? TMS320LF2407是TI公司專為實時控制而設(shè)計的高性能16位定點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)實時性要求的同時可簡化硬件電路設(shè)計。本文在總結(jié)模擬主動控制系統(tǒng)設(shè)計制作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上^[1],設(shè)計了以TMS320F2407為核心的數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)。?

1 主動振動控制系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型?

1.1 控制系統(tǒng)工作原理?

??? 主動振動控制系統(tǒng)模型如圖1所示。隔振對象通過彈性體與基礎(chǔ)相連接,基礎(chǔ)振動(振幅為u)通過彈性體(剛度為k)傳遞到隔振對象上,引起隔振對象振動。傳感器置于二者之間檢測相對位移并輸入到控制器,控制器輸出的控制量經(jīng)過功率驅(qū)動后輸出到電磁作動器控制隔振對象的振動,同時控制器根據(jù)隔振對象的加速度反饋實時調(diào)節(jié)控制參數(shù)" title="控制參數(shù)">控制參數(shù)。?

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1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述?

??? 根據(jù)主動振動控制系統(tǒng)工作原理建立的系統(tǒng)振動模型如式(1)所示。為使隔振對象加速度最小,控制力f的計算式如式(2)所示。其中,u-x為基礎(chǔ)和隔振對象相對位移,可通過光電位移傳感器(PSD)測得。?

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式中,m為隔振對象質(zhì)量,為隔振對象加速度,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由置于氣隙磁場中的載流線圈提供。當(dāng)在線圈上施加電壓v時,其上的咯倫茲力f和施加電壓V如式(3)和式(4)所示。?

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式中,b為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度,l為線圈有效長度,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)模型可計算出控制電壓輸出,如式(5)所示。?

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式中,s為相對位移u-x,分別為相對位移的一次微分和二次微分。在實際應(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、磁場強(qiáng)度等并不是恒定值。在控制過程中,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,對控制參數(shù)進(jìn)行實時校正。?

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)輸出信號經(jīng)由信號處理電路、加速度傳感器輸出信號經(jīng)由電荷放大器后,再分別通過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),由位移輸入計算出控制量,進(jìn)行PWM調(diào)制后送到PWM功率驅(qū)動部分,由功率驅(qū)動部分驅(qū)動電磁作動器進(jìn)行振動控制。?

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2.2.1 DSP及存儲器?

??? 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可用作程序存儲器,但在開發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲器極為不便,因為每一次程序的修改都需要對FLASH進(jìn)行清除、擦除和編程操作,而且進(jìn)行CCS調(diào)試時只能設(shè)置硬件斷點,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)試時的程序RAM。如圖3所示,CY7C1021為64K×16的SRAM,存取時間最小為10ns,故不需要插入等待周期,可保證系統(tǒng)全速運行。?

??? 在調(diào)試時,用跳線短接PS和與門輸入腳,在存儲映像文件中將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下載到程序RAM中進(jìn)行調(diào)試,避免了對FLASH的繁瑣操作。當(dāng)開發(fā)完成時將VCC和與門短接,同時修改映像文件,將64K RAM全部用作數(shù)據(jù)存儲器,而將程序?qū)懭雰?nèi)部FLASH中,系統(tǒng)即可脫離開發(fā)環(huán)境獨立運行。?

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,應(yīng)用電荷放大器將其轉(zhuǎn)化為電壓信號,后者輸出微弱的電流信號(數(shù)個微安),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,經(jīng)過處理的此二路信號分別送入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?

??? 核心程序計算出控制量后進(jìn)行PWM調(diào)制、功率驅(qū)動后輸出到作動器中。PWM調(diào)制在片內(nèi)完成,而功率驅(qū)動則需依靠外加的驅(qū)動電路來完成。商品化的PWM驅(qū)動器體積龐大、價格昂貴,在此采用了自制的小功率PWM驅(qū)動器,其電路圖如圖4所示。IR2110完成初次驅(qū)動,將來自DSP的TTL電平轉(zhuǎn)化為12V電平輸出,推動由四個功率管IRF3710構(gòu)成的H橋進(jìn)行開關(guān)動作,H橋再驅(qū)動作動器施加控制力。?

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2.3 控制器軟件?

2.3.1 控制算法?

??? 控制算法是整個系統(tǒng)的核心,要求較高的實時性和一定的自適應(yīng)能力。算法由兩部分組成,如圖5所示,上半部分根據(jù)隔振對象相對位移輸入完成控制量的計算,下半部分根據(jù)隔振對象加速度反饋完成控制參數(shù)的實時優(yōu)化。算法先根據(jù)式(5)估算出各個系數(shù)的值,運用PID算法根據(jù)隔振對象加速度反饋輸入依次對各系數(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,再重新調(diào)用PID校正參數(shù)。這樣既滿足了實時性的要求,又提高了適應(yīng)能力。?

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2.3.2 中斷控制?

??? 根據(jù)系統(tǒng)控制要求,A/D需定時采樣隔振對象加速度和相對位移信號,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器中斷控制和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷控制。?

??? TMS320F2407有二級中斷服務(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(INT1-INT6),如圖6所示。中斷產(chǎn)生時,系統(tǒng)通過通用中斷向量表自動跳到該中斷所屬級別的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)到中斷對應(yīng)的SISR中。所以進(jìn)行中斷處理需要二級中斷向量表(通用中斷向量表和外設(shè)中斷向量表)和二級中斷服務(wù)程序(GISR和SISR)。其中,通用中斷向量表必須映射到零地址開始的片內(nèi)FLASH程序存儲空間中。

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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、定時啟動和數(shù)據(jù)讀取等部分^[2]。?

3 實驗測試?

??? 根據(jù)課題的要求,對5Hz～2kHz范圍內(nèi)的信號進(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)過測試,A/D轉(zhuǎn)換器和PWM完全可以滿足要求。DSP工作在30MHz時鐘下時,速度為30MIPS,故控制算法要求不能超過3000條匯編指令,由于控制算法的簡化和去除了浮點運算,實際程序沒有超過2000條指令。?

??? 本設(shè)計解決了主動振動控制系統(tǒng)的實時性問題,提高了系統(tǒng)適應(yīng)性,簡化了電路結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)隔振率大幅提高。在5Hz-2kHz頻段內(nèi),對振動的隔振率達(dá)到6%以上。?

參考文獻(xiàn)?

1 賈建援.微型硬盤抗沖擊振動主動控制系統(tǒng)的研究.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002;29(3)?

2 TMS320F2407,TMS320F2406,TMS320F2402 DSP Controllers.?Texas Instruments Incorporated, 1999.4