基于TMS320F2407的主動振動控制系統
摘要：基于機械振動理論和控制理論，以TMS320F2407為核心處理器建立了一種數字式主動振動控制系統。設計了該系統硬件電路，并用軟件實現了控制策略。實驗表明，該系統有效地解決了主動振動控制的實時性問題，并使系統具有較強的適應性，隔振效能大大提高。主動振動控制具有隔振率高、適應性強、可抗強沖擊振動等優點，可使關鍵設備在惡劣沖擊振動環境下可靠工作。但是，主動振動控制系統對相位要求較為嚴格，要求系統具有極強的實時性，否則由于相位滯后，控制效果將會受到嚴重影響。因而在數字式主動振動控制系統中，通常在單片機難以達到實時性要求，本文采用高速DSP器件解決控制的實時性問題。
TMS320LF2407是TI公司專為實時控制而設計的高性能16位定點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，在滿足系統實時性要求的同時可簡化硬件電路設計。本文在總線模擬主動控制系統設計作經驗的基礎上，設計了以TMS320F2407為核心的數字式主動振動控制系統。
1 主動振動控制系統及其數學模型
1.1 控制系統工作原理
主動振動控制系統模型如圖1所示。隔振對象通過弱性體與基礎相連接，基礎振動（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過功率驅后輸出到電磁作動器控制隔振對象的振動，同時控制器根據隔振對象的加速度反饋實時調節控制參數。
1.2 系統數字模型描述
根據主動振動控制系統工作原理建立的系統振動模型如式（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由置于氣隙磁場中的載流線圈提供。當在線圈上施加電壓v時，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
根據系統各部分數學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、磁場強度等并不是恒定值。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），根據加速度反饋，對控制參數進行實時校正。
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）輸出信號經由信號處理電路、加速度傳感器輸出信號經由電荷放大器后，再分別通過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，進行PWM調制后送到PWM功率驅動部分，由功率驅動部分驅動電磁作動器進行振動控制。
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，本系統需擴充外部RAM。TMS320F2407片內的FLASH可用作程序存儲器，但在開發階段使用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進行清除、擦除和編程操作，而且進行CCS調試時只能設置硬件斷點，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的程序RAM。如圖3所示，CY7C1021為64K×16的SRAM，存取時間最小為10ns，故不需要插入等待周期，可保證系統全速運行。
在調試時，用跳線短接PS和與門輸入腳，在存儲映像文件中將CY7C1021前32K字設為數據RAM，后32K字設為程序RAM，可將程序實時下載到程序RAM中進行調試，避免了對FLASH的繁瑣操作。當開發完成時將VCC和與門短接，同時修改映像文件，將64K RAM全部用作數據存儲器，而將程序寫入內部FLASH中，系統即可脫離開發環境獨立運行。
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行預處理后再進行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（數個微安），進行前置放大及相關模擬處理后得到表示位移的模擬電壓信號，經過處理的此二路信號分別送入DSP片內A/D轉換器的1、2通道進行模/數變換。
圖4
2.2.3 PWM調制及驅動
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