基于TMS320C6713的磁懸浮動量輪控制系統(tǒng)的硬件設計與應用
采用磁軸承支撐的動量輪便是磁懸浮動量輪，它與傳統(tǒng)動量輪（機械軸承支撐）相比有許多優(yōu)點，因為磁軸承是非接觸的，沒有機械磨損，不需要潤滑系統(tǒng)，因而壽命長。并且由于摩擦損耗很小，它可以在比機械軸承支撐的動量輪更高的轉(zhuǎn)速下長期工作。由于磁軸承不容易受溫度變化的影響，使得其對機加工精度的要求比機械軸承低得多，可以降低制造成本。磁軸承還具備的一大優(yōu)點是能對振動進行主動控制，這可以明顯提高衛(wèi)星的定位精度。由于具備種種優(yōu)點，磁懸浮動量輪成為替代機械軸承動量輪的一種理想選擇。
國際上對磁懸浮動量輪這一領(lǐng)域的研究不斷取得進展。法國1986年發(fā)射的SPOT地球資源衛(wèi)星采用磁懸浮動量輪進行姿態(tài)控制，得到了清晰準確的圖像，這是磁懸浮動量輪在空間的首次應用。在美國、歐洲和日本的許多公司和研究所都在進行相關(guān)的研究，并已成功應用到了各種衛(wèi)星和空間站上。在國內(nèi)，清華大學、西安交通大學、北京航空航天大學也在進行相關(guān)研究，但總體而言處于起步階段，進一步開展這方面的研究對提高我國的航天科技水平具有很重要的意義。
1 磁懸浮動量輪的構(gòu)成和工作原理
本文的電磁軸承技術(shù)應用的研究對象是外轉(zhuǎn)子動量輪，其構(gòu)成了一臺五自由度的磁懸浮動量輪原理樣機，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
其中動量輪輪體是一套包括電磁鐵、同步電機和轉(zhuǎn)子的機械裝置（如圖2所示）。轉(zhuǎn)子是被控對象，在電機帶動下旋轉(zhuǎn)，它的5個自由度（上下各兩個徑向，還有一個軸向）的位移信號通過電渦流傳感器變成電壓信號，傳給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)執(zhí)行控制算法，得出控制信號；MPW型功率放大器負責將控制系統(tǒng)傳來的十路電壓控制信號轉(zhuǎn)化為電流，流入電磁鐵的線圈，驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子懸浮于空中（其中每一對磁鐵控制一個自由度）。監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測及在線顯示系統(tǒng)的位移和電流信號、電機驅(qū)動電流以及動量輪轉(zhuǎn)速等信息，并可進行頻域分析[1]。本文研究的重點是控制系統(tǒng)，它是整個設備的核心，在很大程度上決定著設備的性能。
2 控制系統(tǒng)的硬件設計
2.1 硬件框圖及工作原理
本文設計了基于TMS320C6713(以下簡稱6713)的便于實現(xiàn)集中控制算法的硬件平臺，在高性能CPU的基礎(chǔ)上擴展了集成度和可編程能力更高的AD、DA等芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
TMS320C6713是目前TI公司推出的主流浮點型高端DSP，其浮點特性很好地滿足了磁軸承控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)計算精度和動態(tài)范圍的要求，同時簡化了算法中存在的大量浮點運算代碼并提高了算法執(zhí)行速度。該CPU為32 位，內(nèi)置八個功能單元，最高300MHZ的時鐘主頻，2400MIPS、1800MFLOPS的運算能力，可以進行16/32/40位的整數(shù)運算和32/64位的浮點運算。具備超長指令字功能，含多級硬件流水線，數(shù)據(jù)處理能力強大。具備兩級緩存，程序和數(shù)據(jù)緩存各為4KB，有192KB的映射內(nèi)存和64KB的可配置內(nèi)存。大量的片內(nèi)存儲可以很好地滿足復雜算法對存儲空間的要求，簡化了外圍電路，提高了存取速度和可靠性。其片內(nèi)的EMIF并口可以方便地與目前出現(xiàn)的所有存儲實現(xiàn)無縫連接，EDMA的存在方便了數(shù)據(jù)的存取并減小了CPU的負荷，此外具有2個32位TIMER，2個MCBSP串口，兩個MCASP，兩個I2C，一個HPI接口和可配置的IO，可方便地與外圍器件進行通訊。
在硬件系統(tǒng)中，傳感器傳來的信號經(jīng)過抗混疊濾波后由AD進行轉(zhuǎn)換，然后由DSP讀出；DA負責將DSP計算后寫入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制信號，經(jīng)過放大濾波后，傳給功放；同時兩路轉(zhuǎn)速信號(將兩個紅外探頭置于轉(zhuǎn)子的90度角上得到兩路信號)經(jīng)過脈沖處理電路后會形成一系列脈沖，產(chǎn)生中斷，通過對這兩個中斷信號分別計數(shù)，可以計算得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；SDRAM負責存儲數(shù)據(jù)和結(jié)果，F(xiàn)LASH用于加載程序以使系統(tǒng)脫離仿真環(huán)境而獨立工作；串口負責DSP與PC之間的通訊。
2.2 DSP外圍器件特性及其接口設計
2.2.1 最小系統(tǒng)
DSP本身：需要注意的是DSP的大小端工作模式、復用引腳的選擇、啟動方式等都取決于特定引腳的電平，可以通過跳線來配置；某些引腳必須按規(guī)定接為上拉或下拉，否則可能導致DSP不能正常工作，具體參考文獻[2]；由于6713的外部總線工作在100MHz的時鐘頻率下，屬于高速電路，如果使用不當，會導致不能正常讀寫，所以需要在所有信號線的發(fā)射端接匹配電阻，以抵消信號的二次反射，從而避免過沖、振鈴等信號完整性的問題；300MHz的6713采用的是BGA封裝，雖然該封裝具有很多優(yōu)點，但是不利于調(diào)試，最好將關(guān)鍵引腳引出（注意包地），以便于調(diào)試和糾錯。
電源復位模塊：6713需要1.4V的內(nèi)核電壓和3.3V的IO電壓，系統(tǒng)總輸入電源為5V,所以可通過TPS54310將5V電壓轉(zhuǎn)化為1.4V電壓，用TPS75733將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V電壓，同時用TPS3823作為電源監(jiān)視模塊，用以監(jiān)視電源是否工作正常，并且該片內(nèi)有硬件看門狗和手動復位功能，這樣就可以在適當?shù)臅r候產(chǎn)生復位信號，使DSP處于RESET狀態(tài)。
時鐘模塊：DSP內(nèi)部有PLL模塊，能夠方便地通過軟件配置來進行倍頻和分頻，這樣就簡化了外部時鐘電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)主要需要產(chǎn)生300MHz的內(nèi)核工作時鐘和100MHz的外圍總線工作時鐘，這樣只需簡單地在外部接一個25MHz的有源晶振即可。需要注意的是DSP的PLL模塊電源應該接EMI濾波器，另外在配置內(nèi)部時鐘時應該遵循一定的時序，詳見參考文獻[3]。
擴展內(nèi)存：系統(tǒng)需要擴展內(nèi)存來存儲大量數(shù)據(jù)以節(jié)省片內(nèi)內(nèi)存，綜合考慮速度、成本和容量等因素，決定采用SDRAM（同步動態(tài)RAM），器件選擇MICRON公司的MT48LC4M32B2(1M×32×4Banks)，具有32位的數(shù)據(jù)總線，對應16MB的尋址空間。DSP內(nèi)的EMIF模塊可與SDRAM直接進行無縫連接，采用小端模式，并將SDRAM映射到EMIF的CE0空間。
FLASH：配置FLASH實現(xiàn)系統(tǒng)的自加載功能使系統(tǒng)脫離調(diào)試環(huán)境而獨立運行，采用的是AMD公司的AM29LV400B（256K×16-Bit），有16位的數(shù)據(jù)總線，工作于半字模式，對應256KB的尋址空間，映射到EMIF的CE1空間。
JTAG接口：DSP具有遵循IEEE 1149.1協(xié)議的JTAG接口，可以通過仿真器與PC機相連，在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS下進行仿真和調(diào)試。將JTAG模塊的TMS、 TDI、TDO和TCK這四個引腳直接引出到標準的JTAG插座上，與仿真器插頭的引腳一一對應；另外EMU0和EMU1要外接上拉電阻，使DSP工作在仿真模式下，TRST引腳接下拉電阻，PD接5V電壓。需要注意的是，JTAG座為標準的14針插座，其中沒用的第6針應拔掉以便電纜插頭插入，這樣可以防止插反。
2.2.2 AD和DA
AD采用了12位的MAX115，每個芯片具有2Banks×4Channels的采樣通道，各通道都有跟蹤保持放大器，它可以將四通道的信號同時保持住，這樣可以保證各通道用于轉(zhuǎn)換的信號在時間上的同步，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的同時采樣。系統(tǒng)中采用兩片AD，每片轉(zhuǎn)換兩路，采樣率最高可以達到218ksps，將兩片AD映射到EMIF的CE3空間，通過地址線和片選線譯碼產(chǎn)生每個AD的片選信號。由于AD是5V器件，而DSP是3.3V的IO電壓，所以中間需要接總線開關(guān)，用于5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換啟動引腳與DSP的定時器輸出引腳相連，每個AD芯片轉(zhuǎn)換完成后都會產(chǎn)生一個中斷信號，將這兩個信號相與之后作為DSP的中斷輸入。AD的12位數(shù)據(jù)線與EMIF的對應數(shù)據(jù)總線相連，用于數(shù)據(jù)和指令的傳輸。
DA采用了13位8通道的MAX547，可以同時輸出8通道D/A轉(zhuǎn)換信號，它與處理器的接口并行，輸出建立時間為5μs。由于系統(tǒng)需要10路輸出，所以需要采用兩片DA，這樣一共可以同時提供16路輸出信號，使用時可以分配每一片轉(zhuǎn)換5路信號。將兩片DA也映射到EMIF的CE3空間，同時通過地址線和片選線譯碼產(chǎn)生每個DA的片選信號。輸出經(jīng)過一級放大電路后，可以將電壓擴大兩倍，同時保證輸出電流的帶負載能力。采用DSP的低13位數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)的傳輸，同時采用低三位地址線進行通道的選擇。DSP的D0數(shù)據(jù)線經(jīng)過脈沖擴展后形成轉(zhuǎn)換啟動信號連接到DA的對應引腳。
2.2.3 其他電路
串口電路：系統(tǒng)可以通過RS232串口與PC機進行通訊，這可以利用DSP內(nèi)部的MCBSP模塊以軟件模擬的方式來實現(xiàn)，硬件上把幀同步輸入和數(shù)據(jù)接收端接在一起形成UART的輸入端，把數(shù)據(jù)發(fā)送端作為UART的輸出端，然后將UART接至MAX3232，形成了RS232串口。需要注意的是，根據(jù)MCBSP的工作特點，需要將實際數(shù)據(jù)擴展為16位(0用0x0000表示，1 用0xFFFF表示)。
測速電路：紅外測速信號需要經(jīng)過一定的脈沖整形電路來產(chǎn)生DSP的中斷輸入，主要是讓測速信號經(jīng)過微分電路、比較電路和與門產(chǎn)生沿陡峭的脈沖信號，再經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)電路調(diào)整脈沖寬度就形成了符合要求的中斷信號。
CPLD：在系統(tǒng)中所需要實現(xiàn)的很多邏輯功能可以通過CPLD實現(xiàn)，這樣可以避免去尋找專用的簡單邏輯器件，并且CPLD編程方便、功能強大、節(jié)省空間，可以提高系統(tǒng)的性能。在本系統(tǒng)中，CPLD采用的是5V/3.3V兼容的CY37064，主要用來實現(xiàn)如下功能：AD和DA的譯碼；復位信號的與運算；AD中斷信號的與運算；DA啟動信號的脈寬擴展；擴展IO等。
3 硬件平臺的應用與實驗結(jié)果
3.1 控制算法的選取
控制算法主要采用PID、交叉反饋和數(shù)字濾波。PID是控制的基礎(chǔ)，實現(xiàn)基本的懸浮，交叉反饋用來克制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的進動和章動，同時設計一個切比雪夫二型4階帶阻濾波器來克服結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，該濾波器中心頻率為910Hz，陷波寬度為40Hz，陷波深度為20分貝。將連續(xù)域的傳遞函數(shù)經(jīng)過雙線性變換可得到如下公式：
y(k)中的各項依次為比例輸出部分、積分輸出部分、微分輸出部分和交叉反饋輸出部分。要確定上面公式中的系數(shù)，需要首先確定偏置電流和系統(tǒng)的剛度、阻尼，從而得出負剛度和電流比例系數(shù)，進而得出各參數(shù)，先通過仿真選定初值，然后通過實驗反復調(diào)整參數(shù)，直至得到滿意的效果為止[4]。
3.2 軟件開發(fā)與實驗結(jié)果
在硬件平臺建立好之后，便可以通過仿真器將PC機和目標系統(tǒng)連接起來，在CCS集成開發(fā)環(huán)境下進行軟件的開發(fā)，它支持C和匯編。經(jīng)過優(yōu)化的可執(zhí)行代碼可以下載到系統(tǒng)當中，利用單步執(zhí)行和設置斷點等方法進行功能上的調(diào)試。
磁懸浮動量輪控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。系統(tǒng)復位后程序首先進行系統(tǒng)初始化，包括 配置PLL得到所需要的系統(tǒng)時鐘，初始化EMIF以保證SDRAM、AD和DA正常工作，初始化TIMER、IO、中斷和EDMA；然后啟動TIMER開始工作，按一定的頻率觸發(fā)AD采樣，當AD中斷到來時，DSP就讀出數(shù)據(jù)并按一定的控制算法計算得出控制輸出，然后寫入DA緩存當中，最后觸發(fā)DA轉(zhuǎn)換。當下一個AD中斷到來時再重復上面的過程。同時轉(zhuǎn)速信號通過脈沖處理電路生成中斷信號，觸發(fā)DSP用于轉(zhuǎn)速處理的中斷程序，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的在線測量。當PC機發(fā)出指令時，則進入相應的中斷程序作出響應?？撮T狗電路在程序運行不正常時，可以觸發(fā)RESET信號，重新加載程序代碼，恢復程序的正常運行。
實驗表明，該硬件平臺使得程序執(zhí)行的時間大大縮短，從而可以將采樣率提高到以前（以TMS320C32為核心）的10倍以上，大大提高了系統(tǒng)的性能，目前動量輪轉(zhuǎn)子可以達到12 000r/min，在工作轉(zhuǎn)速下，軸承處轉(zhuǎn)子的振動小于10μm。
本文構(gòu)建了基于TMS320C6713的磁懸浮動量輪控制系統(tǒng)的硬件平臺，并借助該平臺進行了控制軟件的開發(fā)，通過硬件系統(tǒng)優(yōu)良的性能很好地實現(xiàn)了外轉(zhuǎn)子動量輪原理樣機在高速旋轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定懸浮，基本滿足了各種性能指標，為下一步集中精力進行控制算法的研究改進和提高系統(tǒng)的性能提供了有力保證。
參考文獻
[1] 張剴.磁懸浮動量輪系統(tǒng)研究[博士學位論文].清華大學工程物理系，2004.
[2] TMS320C6713B Floating-point Digital Signal Processor.Texas Instrument，2005.
[3] TMS320C6000 DSP 32-Bit Timer Reference Guide.Texas Instrument，2005.
[4] G.施韋策，H.布魯勒，A.特拉克斯勒著，虞烈，袁崇軍譯.主動磁軸承基礎(chǔ)、性能及應用.北京：新時代出版社，1997.
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