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(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。隔振對象通過弱性體與基礎(chǔ)相連接，基礎(chǔ)振動(dòng)（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(dòng)。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(dòng)器控制隔振對象的振動(dòng)，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(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(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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(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)

核心程序計(jì)算出控制量后進(jìn)行PWM調(diào)制、功率驅(qū)動(dòng)后輸出到作動(dòng)器中。PWM調(diào)制在片內(nèi)完成，而功率驅(qū)動(dòng)則需依靠外加的驅(qū)動(dòng)電路來完成。商品化的PWM驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，其電路圖如圖4所示。IR2110完成初次驅(qū)動(dòng)，將來自DSP的TTL電平轉(zhuǎn)化為12W電平輸出，推動(dòng)由四個(gè)功率管IRF3710構(gòu)成的H橋進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，H橋再驅(qū)動(dòng)作動(dòng)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。

    2.3.2 中斷控制

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(hào)，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(jí)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(jí)（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(dòng)跳到該中斷所屬級(jí)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(jí)中斷向量表（通用中斷向量表和外設(shè)中斷向量有）和二級(jí)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(chǔ)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(dòng)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(hào)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(dòng)振動(dòng)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(dòng)的隔振率達(dá)到6%以上。