基于TMS320C6713的磁懸浮動(dòng)量輪控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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采用磁軸承支撐的動(dòng)量輪便是磁懸浮動(dòng)量輪，它與傳統(tǒng)動(dòng)量輪（機(jī)械軸承支撐）相比有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榇泡S承是非接觸的，沒有機(jī)械磨損，不需要潤(rùn)滑系統(tǒng)，因而壽命長(zhǎng)。并且由于摩擦損耗很小，它可以在比機(jī)械軸承支撐的動(dòng)量輪更高的轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)期工作。由于磁軸承不容易受溫度變化的影響，使得其對(duì)機(jī)加工精度的要求比機(jī)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(diǎn)是能對(duì)振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)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(diǎn)，磁懸浮動(dòng)量輪成為替代機(jī)械軸承動(dòng)量輪的一種理想選擇。
國(guó)際上對(duì)磁懸浮動(dòng)量輪這一領(lǐng)域的研究不斷取得進(jìn)展。法國(guó)1986年發(fā)射的SPOT地球資源衛(wèi)星采用磁懸浮動(dòng)量輪進(jìn)行姿態(tài)控制，得到了清晰準(zhǔn)確的圖像，這是磁懸浮動(dòng)量輪在空間的首次應(yīng)用。在美國(guó)、歐洲和日本的許多公司和研究所都在進(jìn)行相關(guān)的研究，并已成功應(yīng)用到了各種衛(wèi)星和空間站上。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)也在進(jìn)行相關(guān)研究，但總體而言處于起步階段，進(jìn)一步開展這方面的研究對(duì)提高我國(guó)的航天科技水平具有很重要的意義。
1 磁懸浮動(dòng)量輪的構(gòu)成和工作原理
本文的電磁軸承技術(shù)應(yīng)用的研究對(duì)象是外轉(zhuǎn)子動(dòng)量輪，其構(gòu)成了一臺(tái)五自由度的磁懸浮動(dòng)量輪原理樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
其中動(dòng)量輪輪體是一套包括電磁鐵、同步電機(jī)和轉(zhuǎn)子的機(jī)械裝置（如圖2所示）。轉(zhuǎn)子是被控對(duì)象，在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，它的5個(gè)自由度（上下各兩個(gè)徑向，還有一個(gè)軸向）的位移信號(hào)通過(guò)電渦流傳感器變成電壓信號(hào)，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(hào)；MPW型功率放大器負(fù)責(zé)將控制系統(tǒng)傳來(lái)的十路電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流，流入電磁鐵的線圈，驅(qū)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子懸浮于空中（其中每一對(duì)磁鐵控制一個(gè)自由度）。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)及在線顯示系統(tǒng)的位移和電流信號(hào)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流以及動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速等信息，并可進(jìn)行頻域分析[1]。本文研究的重點(diǎn)是控制系統(tǒng)，它是整個(gè)設(shè)備的核心，在很大程度上決定著設(shè)備的性能。
2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件框圖及工作原理
本文設(shè)計(jì)了基于TMS320C6713(以下簡(jiǎn)稱6713)的便于實(shí)現(xiàn)集中控制算法的硬件平臺(tái)，在高性能CPU的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(diǎn)型高端DSP，其浮點(diǎn)特性很好地滿足了磁軸承控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算精度和動(dòng)態(tài)范圍的要求，同時(shí)簡(jiǎn)化了算法中存在的大量浮點(diǎn)運(yùn)算代碼并提高了算法執(zhí)行速度。該CPU為32 位，內(nèi)置八個(gè)功能單元，最高300MHZ的時(shí)鐘主頻，2400MIPS、1800MFLOPS的運(yùn)算能力，可以進(jìn)行16/32/40位的整數(shù)運(yùn)算和32/64位的浮點(diǎn)運(yùn)算。具備超長(zhǎng)指令字功能，含多級(jí)硬件流水線，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。具備兩級(jí)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(chǔ)可以很好地滿足復(fù)雜算法對(duì)存儲(chǔ)空間的要求，簡(jiǎn)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(chǔ)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，EDMA的存在方便了數(shù)據(jù)的存取并減小了CPU的負(fù)荷，此外具有2個(gè)32位TIMER，2個(gè)MCBSP串口，兩個(gè)MCASP，兩個(gè)I2C，一個(gè)HPI接口和可配置的IO，可方便地與外圍器件進(jìn)行通訊。
在硬件系統(tǒng)中，傳感器傳來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)抗混疊濾波后由AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后由DSP讀出；DA負(fù)責(zé)將DSP計(jì)算后寫入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波后，傳給功放；同時(shí)兩路轉(zhuǎn)速信號(hào)(將兩個(gè)紅外探頭置于轉(zhuǎn)子的90度角上得到兩路信號(hào))經(jīng)過(guò)脈沖處理電路后會(huì)形成一系列脈沖，產(chǎn)生中斷，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)中斷信號(hào)分別計(jì)數(shù)，可以計(jì)算得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；SDRAM負(fù)責(zé)存儲(chǔ)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(dú)立工作；串口負(fù)責(zé)DSP與PC之間的通訊。
2.2 DSP外圍器件特性及其接口設(shè)計(jì)
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(fù)用引腳的選擇、啟動(dòng)方式等都取決于特定引腳的電平，可以通過(guò)跳線來(lái)配置；某些引腳必須按規(guī)定接為上拉或下拉，否則可能導(dǎo)致DSP不能正常工作，具體參考文獻(xiàn)[2]；由于6713的外部總線工作在100MHz的時(shí)鐘頻率下，屬于高速電路，如果使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致不能正常讀寫，所以需要在所有信號(hào)線的發(fā)射端接匹配電阻，以抵消信號(hào)的二次反射，從而避免過(guò)沖、振鈴等信號(hào)完整性的問(wèn)題；300MHz的6713采用的是BGA封裝，雖然該封裝具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(cuò)。
電源復(fù)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(guò)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(shí)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(dòng)復(fù)位功能，這樣就可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使DSP處于RESET狀態(tài)。
時(shí)鐘模塊：DSP內(nèi)部有PLL模塊，能夠方便地通過(guò)軟件配置來(lái)進(jìn)行倍頻和分頻，這樣就簡(jiǎn)化了外部時(shí)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(shí)鐘和100MHz的外圍總線工作時(shí)鐘，這樣只需簡(jiǎn)單地在外部接一個(gè)25MHz的有源晶振即可。需要注意的是DSP的PLL模塊電源應(yīng)該接EMI濾波器，另外在配置內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)應(yīng)該遵循一定的時(shí)序，詳見參考文獻(xiàn)[3]。
擴(kuò)展內(nèi)存：系統(tǒng)需要擴(kuò)展內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)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(dòng)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(duì)應(yīng)16MB的尋址空間。DSP內(nèi)的EMIF模塊可與SDRAM直接進(jìn)行無(wú)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(shí)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(dú)立運(yùn)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(duì)應(yīng)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(guò)仿真器與PC機(jī)相連，在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS下進(jìn)行仿真和調(diào)試。將JTAG模塊的TMS、 TDI、TDO和TCK這四個(gè)引腳直接引出到標(biāo)準(zhǔn)的JTAG插座上，與仿真器插頭的引腳一一對(duì)應(yīng)；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(biāo)準(zhǔn)的14針插座，其中沒用的第6針應(yīng)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(gè)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(hào)同時(shí)保持住，這樣可以保證各通道用于轉(zhuǎn)換的信號(hào)在時(shí)間上的同步，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的同時(shí)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(dá)到218ksps，將兩片AD映射到EMIF的CE3空間，通過(guò)地址線和片選線譯碼產(chǎn)生每個(gè)AD的片選信號(hào)。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(dòng)引腳與DSP的定時(shí)器輸出引腳相連，每個(gè)AD芯片轉(zhuǎn)換完成后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，將這兩個(gè)信號(hào)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(duì)應(yīng)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(shí)輸出8通道D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)，它與處理器的接口并行，輸出建立時(shí)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(shí)提供16路輸出信號(hào)，使用時(shí)可以分配每一片轉(zhuǎn)換5路信號(hào)。將兩片DA也映射到EMIF的CE3空間，同時(shí)通過(guò)地址線和片選線譯碼產(chǎn)生每個(gè)DA的片選信號(hào)。輸出經(jīng)過(guò)一級(jí)放大電路后，可以將電壓擴(kuò)大兩倍，同時(shí)保證輸出電流的帶負(fù)載能力。采用DSP的低13位數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)采用低三位地址線進(jìn)行通道的選擇。DSP的D0數(shù)據(jù)線經(jīng)過(guò)脈沖擴(kuò)展后形成轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)連接到DA的對(duì)應(yīng)引腳。
2.2.3 其他電路
串口電路：系統(tǒng)可以通過(guò)RS232串口與PC機(jī)進(jìn)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(lái)實(shí)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(diǎn)，需要將實(shí)際數(shù)據(jù)擴(kuò)展為16位(0用0x0000表示，1 用0xFFFF表示)。
測(cè)速電路：紅外測(cè)速信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一定的脈沖整形電路來(lái)產(chǎn)生DSP的中斷輸入，主要是讓測(cè)速信號(hào)經(jīng)過(guò)微分電路、比較電路和與門產(chǎn)生沿陡峭的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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(hào)。
CPLD：在系統(tǒng)中所需要實(shí)現(xiàn)的很多邏輯功能可以通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)，這樣可以避免去尋找專用的簡(jiǎn)單邏輯器件，并且CPLD編程方便、功能強(qiáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)如下功能：AD和DA的譯碼；復(fù)位信號(hào)的與運(yùn)算；AD中斷信號(hào)的與運(yùn)算；DA啟動(dòng)信號(hào)的脈寬擴(kuò)展；擴(kuò)展IO等。
3 硬件平臺(tái)的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)基本的懸浮，交叉反饋用來(lái)克制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)切比雪夫二型4階帶阻濾波器來(lái)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(guò)雙線性變換可得到如下公式：
y(k)中的各項(xiàng)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(fù)剛度和電流比例系數(shù)，進(jìn)而得出各參數(shù)，先通過(guò)仿真選定初值，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
在硬件平臺(tái)建立好之后，便可以通過(guò)仿真器將PC機(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)連接起來(lái)，在CCS集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟件的開發(fā)，它支持C和匯編。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的可執(zhí)行代碼可以下載到系統(tǒng)當(dāng)中，利用單步執(zhí)行和設(shè)置斷點(diǎn)等方法進(jìn)行功能上的調(diào)試。
磁懸浮動(dòng)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(fù)位后程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括 配置PLL得到所需要的系統(tǒng)時(shí)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(dòng)TIMER開始工作，按一定的頻率觸發(fā)AD采樣，當(dāng)AD中斷到來(lái)時(shí)，DSP就讀出數(shù)據(jù)并按一定的控制算法計(jì)算得出控制輸出，然后寫入DA緩存當(dāng)中，最后觸發(fā)DA轉(zhuǎn)換。當(dāng)下一個(gè)AD中斷到來(lái)時(shí)再重復(fù)上面的過(guò)程。同時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)脈沖處理電路生成中斷信號(hào)，觸發(fā)DSP用于轉(zhuǎn)速處理的中斷程序，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的在線測(cè)量。當(dāng)PC機(jī)發(fā)出指令時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷程序作出響應(yīng)?？撮T狗電路在程序運(yùn)行不正常時(shí)，可以觸發(fā)RESET信號(hào)，重新加載程序代碼，恢復(fù)程序的正常運(yùn)行。
實(shí)驗(yàn)表明，該硬件平臺(tái)使得程序執(zhí)行的時(shí)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(dòng)量輪轉(zhuǎn)子可以達(dá)到12 000r/min，在工作轉(zhuǎn)速下，軸承處轉(zhuǎn)子的振動(dòng)小于10μm。
本文構(gòu)建了基于TMS320C6713的磁懸浮動(dòng)量輪控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并借助該平臺(tái)進(jìn)行了控制軟件的開發(fā)，通過(guò)硬件系統(tǒng)優(yōu)良的性能很好地實(shí)現(xiàn)了外轉(zhuǎn)子動(dòng)量輪原理樣機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定懸浮，基本滿足了各種性能指標(biāo)，為下一步集中精力進(jìn)行控制算法的研究改進(jìn)和提高系統(tǒng)的性能提供了有力保證。
參考文獻(xiàn)
[1] 張剴.磁懸浮動(dòng)量輪系統(tǒng)研究[博士學(xué)位論文].清華大學(xué)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(dòng)磁軸承基礎(chǔ)、性能及應(yīng)用.北京：新時(shí)代出版社，1997.
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