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基于TMS320F2407的主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)
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)。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。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，通常在單片機(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)。本文在總線模擬主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，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)弱性體與基礎(chǔ)相連接，基礎(chǔ)振動(dòng)（振幅為u）通過(guò)弱性體（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)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)。
1.2 系統(tǒng)數(shù)字模型描述
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x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。
mx cx kx=cu ku f （1）
f=c(x-u) k(x-u) (2)
式中，m為隔振對(duì)象質(zhì)量，x為隔振對(duì)象加速度，u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。
f=bli （3）
v=ri-bl(u-x) l'l （4）
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。
v=(l'c/bl)s-[(l'k rc)bl bl]s-(rk/bl)s （5）
式中，s為相對(duì)位移u-x，s和s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（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。TMS320F2407片內(nèi)的FLASH可用作程序存儲(chǔ)器，但在開發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲(chǔ)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)開發(fā)完成時(shí)將VCC和與門短接，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。
圖4
2.2.3 PWM調(diào)制及驅(qū)動(dòng)
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