基于TMS320F2407的主動振動控制系統(tǒng)

摘要：基于機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)。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問題，并使系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)性，隔振效能大大提高。

主動振動控制具有隔振率高、適應(yīng)性強、可抗強沖擊振動等優(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)對相位要求較為嚴格，要求系統(tǒng)具有極強的實時性，否則由于相位滯后，控制效果將會受到嚴重影響。因而在數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)中，通常在單片機難以達到實時性要求，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。本文在總線模擬主動控制系統(tǒng)設(shè)計作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，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。隔振對象通過弱性體與基礎(chǔ)相連接，基礎(chǔ)振動（振幅為u）通過弱性體（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)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)。

1.2 系統(tǒng)數(shù)字模型描述

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x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。

mx+cx+kx=cu+ku+f   （1）

f=c(x-u)+k(x-u)   (2)

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

f=bli   （3）

v=ri-bl(u-x)+l'l   （4）

式中，b為氣隙磁感應(yīng)強度，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)各部分數(shù)學(xué)模型可計算出控制電壓輸出，如式（5）所示。

v=(l'c/bl)s-[(l'k+rc)bl+bl]s-(rk/bl)s    （5）

式中，s為相對位移u-x，s和s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)并不能準確得出，而且有些參數(shù)如彈性體剛度、磁場強度等并不是恒定值。在控制過程中，先以估算值作為初始值，再以一定控制算法（自整定PID），根據(jù)加速度反饋，對控制參數(shù)進行實時校正。

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)動電磁作動器進行振動控制。

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)需擴充外部RAM。TMS320F2407片內(nèi)的FLASH可用作程序存儲器，但在開發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲極為不便，因為每一次程序的修改都需要對FLASH進行清除、擦除和編程操作，而且進行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)擴充程序RAM。為了不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，從擴充的數(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中進行調(diào)試，避免了對FLASH的繁瑣操作。當開發(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行預(yù)處理后再進行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通道進行模/數(shù)變換。

圖4

    2.2.3 PWM調(diào)制及驅(qū)動    2.3.2 中斷控制

核心程序計算出控制量后進行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)動器體積大、價格昂貴，在此采用了瞬息萬變制的小功率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12W電平輸出，推動由四個功率管IRF3710構(gòu)成的H橋進行開關(guān)動作，H橋再驅(qū)動作動器施加控制力。

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的控制量的計算，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)進行校正，得到最優(yōu)控制參數(shù)。之后脫離PID算法，完全依靠式（5）計算輸出。當中環(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。

 

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。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)中斷向量有）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。

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。

3 實驗測試

根據(jù)課題的要求，對5Hz～2kHz范圍內(nèi)的信號進行控制。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)采樣頻率擴大到原來的2.5倍，達到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300MIPS，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)，對振動的隔振率達到6%以上。