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基于TMS320F2407的主動(dòng)振動(dòng)控制系統
摘要：基于機械振動(dòng)理論和控制理論，以TMS320F2407為核心處理器建立了一種數字式主動(dòng)振動(dòng)控制系統。設計了該系統硬件電路，并用軟件實(shí)現了控制策略。實(shí)驗表明，該系統有效地解決了主動(dòng)振動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，并使系統具有較強的適應性，隔振效能大大提高。主動(dòng)振動(dòng)控制具有隔振率高、適應性強、可抗強沖擊振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，可使關(guān)鍵設備在惡劣沖擊振動(dòng)環(huán)境下可靠工作。但是，主動(dòng)振動(dòng)控制系統對相位要求較為嚴格，要求系統具有極強的實(shí)時(shí)性，否則由于相位滯后，控制效果將會(huì )受到嚴重影響。因而在數字式主動(dòng)振動(dòng)控制系統中，通常在單片機難以達到實(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(wèn)題。
TMS320LF2407是TI公司專(zhuān)為實(shí)時(shí)控制而設計的高性能16位定點(diǎn)DSP器件，指令周期為33ns，其內部集成了前端采樣A/D轉換器和后端PWM輸出硬件，在滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)可簡(jiǎn)化硬件電路設計。本文在總線(xiàn)模擬主動(dòng)控制系統設計作經(jīng)驗的基礎上，設計了以TMS320F2407為核心的數字式主動(dòng)振動(dòng)控制系統。
1 主動(dòng)振動(dòng)控制系統及其數學(xué)模型
1.1 控制系統工作原理
主動(dòng)振動(dòng)控制系統模型如圖1所示。隔振對象通過(guò)弱性體與基礎相連接，基礎振動(dòng)（振幅為u）通過(guò)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(guò)功率驅后輸出到電磁作動(dòng)器控制隔振對象的振動(dòng)，同時(shí)控制器根據隔振對象的加速度反饋實(shí)時(shí)調節控制參數。
1.2 系統數字模型描述
根據主動(dòng)振動(dòng)控制系統工作原理建立的系統振動(dòng)模型如式（1）所示。為使隔振對象加速度x最小，控制力f的計算式如式（2）所示。其中，u-x為基礎和隔振對象相對位移，可通過(guò)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為基礎加速度，k為隔振彈性體剛度，c為隔振系統阻尼。
系統作用力f由置于氣隙磁場(chǎng)中的載流線(xiàn)圈提供。當在線(xiàn)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為氣隙磁感應強度，l為線(xiàn)圈有效長(cháng)度，I為線(xiàn)圈電流，r為線(xiàn)圈電阻，l'為線(xiàn)圈電感。
2 控制策略及控制器
2.1 控制策略
根據系統各部分數學(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(shí)際應用中，上述控制參數并不能準確得出，而且有些參數如彈性體剛度、磁場(chǎng)強度等并不是恒定值。在控制過(guò)程中，先以估算值作為初始值，再以一定控制算法（自整定PID），根據加速度反饋，對控制參數進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。
2.2 控制系統的硬件結構
控制器硬件結構如圖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(guò)TMS320F2407中的A/D轉換器輸入到DSP核心中。DSP核心根據加速度反饋修正控制參數，由位移輸入計算出控制量，進(jìn)行PWM調制后送到PWM功率驅動(dòng)部分，由功率驅動(dòng)部分驅動(dòng)電磁作動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)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，本系統需擴充外部RAM。TMS320F2407片內的FLASH可用作程序存儲器，但在開(kāi)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(jìn)行清除、擦除和編程操作，而且進(jìn)行CCS調試時(shí)只能設置硬件斷點(diǎn)，故從調試的角度考慮，應擴充程序RAM。為了不增加系統復雜度，從擴充的數據RAM中分出一塊作為調試時(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，可保證系統全速運行。
在調試時(shí)，用跳線(xiàn)短接PS和與門(mén)輸入腳，在存儲映像文件中將CY7C1021前32K字設為數據RAM，后32K字設為程序RAM，可將程序實(shí)時(shí)下載到程序RAM中進(jìn)行調試，避免了對FLASH的繁瑣操作。當開(kāi)發(fā)完成時(shí)將VCC和與門(mén)短接，同時(shí)修改映像文件，將64K RAM全部用作數據存儲器，而將程序寫(xiě)入內部FLASH中，系統即可脫離開(kāi)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(jìn)行預處理后再進(jìn)行A/D變換。前者輸出電荷信號，應用電荷放大器將其轉化為電壓信號，后者輸出微弱的電流信號（數個(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(guò)處理的此二路信號分別送入DSP片內A/D轉換器的1、2通道進(jìn)行模/數變換。
圖4
2.2.3 PWM調制及驅動(dòng)
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