基于TMS320F2407的主動振動控制系統(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)設計作經驗的基礎上，設計了以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(jù)隔振對象的加速度反饋實時調節(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(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(jù)系統(tǒng)各部分數(shù)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(shù)并不能準確得出，而且有些參數(shù)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(jù)加速度反饋，對控制參數(shù)進行實時校正.

2.2 控制系統(tǒng)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(jù)加速度反饋修正控制參數(shù)，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(tǒng)需擴充外部RAM。TMS320F2407片內的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(tǒng)復雜度，從擴充的數(shù)據(jù)RAM中分出一塊作為調試時的程序RAM。如圖3所示，CY7C1021為64K