基于C8051F的磁流變控制器設計

摘要： 本文提出了一種基于C8051F310 MCU的磁流變阻尼器控制器設計方法。并給出了控制器的總體結構、接口電路與軟件設計，設計出樣機在實際使用過程中效果較好。

關鍵詞： PWM控制；磁流變阻尼器

前言

磁流變阻尼器(MRFD)的阻尼力調節(jié)主要依靠調節(jié)其內部勵磁線圈電流的方式實現(xiàn)，一般通過控制器將外界控制端發(fā)出的控制信號轉變?yōu)橐欢ǖ妮敵鲭妷?由線圈電阻大小決定)、電流(由線圈線徑?jīng)Q定)輸入勵磁線圈。在工程控制過程中，磁流變阻尼器控制器的實時精確調節(jié)對阻尼器性能的影響很大。從設計原理來講，MRFD控制器主要分成電壓源控制器和電流源控制器兩種。根據(jù)(1)對勵磁線圈的等效電路圖分析可知電流源響應速度快于電壓源。因此MRFD控制器的設計幾乎都采用電流源控制方式。

MRFD控制器的性能指標有：磁流變阻尼器的控制電流與阻尼力的線性關系，要求控制電流連續(xù)可調并具有較高的線性度和較小的相對誤差；振動控制的實時性要求控制器響應速度要快；用于現(xiàn)場測控時需要友好的人機界面、和外部測控系統(tǒng)的無縫連接；用于獨立控制時能夠提供各種內置的控制算法等。

本文給出了一種基于C8051F310 MCU的磁流變阻尼器控制器的設計方法。

控制系統(tǒng)設計

圖1  磁流變阻尼器控制系統(tǒng)硬件框圖

磁流變控制系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。磁流變控制系統(tǒng)主要由8051F310處理器、執(zhí)行模塊、手動輸入輸出模塊、外部控制系統(tǒng)接口模塊等部分組成。各部分功能如下：

8051F310處理器：利用 A/D采樣各項參數(shù)，接受內外部發(fā)出的控制命令，并通過PWM轉換輸出到執(zhí)行系統(tǒng)。
執(zhí)行模塊：利用8051F310處理器發(fā)出的PWM信號控制驅動阻尼器。
手動輸入輸出模塊通過鍵盤和顯示器與8051F310處理器連接。
外部控制系統(tǒng)接口模塊： 通過專用接口與外部PC機控制系統(tǒng)串接。

硬件電路

C8051F310的可編程計數(shù)器(PCA0)由一個專用的16位計數(shù)器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊組成。將捕捉/比較模塊的工作方式設定為8位PWM，把PWM脈沖輸出到MOS管功率驅動單元，從而控制磁流變阻尼器的電流值。將通過阻尼器的電流采樣放大后，送入C8051F310的A/D單元中，經(jīng)過A/D轉換后由軟件濾波得到電流量，并被傳送給顯示單元AXG12864 LED。將電流值與設定的電流值相比較得到的誤差值，通過特殊的算法來調節(jié)PWM的脈寬，這樣就形成了磁流變阻尼器電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

鍵盤控制電路采用了4