基于TMS320F2407的主動振動控制系統(tǒng)

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