當(dāng)前位置:首頁 > 電源 > 數(shù)字電源
[導(dǎo)讀]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)。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)有效地解決了主動振動控制的實(shí)時(shí)性問題,并使系統(tǒng)

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)。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)有效地解決了主動振動控制的實(shí)時(shí)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。

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(diǎn),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(shí)時(shí)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)可簡化硬件電路設(shè)計(jì)。本文在總線模擬主動控制系統(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(shí)控制器根據(jù)隔振對象的加速度反饋實(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(jì)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(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(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(自整定PID),根據(jù)加速度反饋,對控制參數(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(jì)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。

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。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?yàn)槊恳淮纬绦虻男薷亩夹枰獙LASH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,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(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,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。

圖4[!--empirenews.page--]

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

核心程序計(jì)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)動器體積大、價(jià)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(gè)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。

2.3 控制器軟件

2.3.1 控制算法

控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心,要求較高的實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)優(yōu)化。算法先根據(jù)式(5)估算出各個(gè)系數(shù)的值,運(yùn)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)控制參數(shù)。之后脫離PID算法,完全依靠式(5)計(jì)算輸出。當(dāng)中環(huán)境發(fā)生變化,控制效果變差時(shí),再重新調(diào)用PID校正參數(shù)。這樣既滿足了實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí),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(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(shí)啟動和數(shù)據(jù)讀取等部分。

3 實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘下時(shí),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(diǎn)運(yùn)算,實(shí)際程序沒有超過2000條指令。

本設(shè)計(jì)解決了主動振動控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉