基于TMS32OF2812的振動(dòng)主動(dòng)控制系統設計

摘要：本文主要介紹了以TMS320F2812為控制核心的小型多通道振動(dòng)主動(dòng)控制系統，對前置調理電路和運用MAX547實(shí)現的多通道D／A轉換電路進(jìn)行了討論，并給出了軟件設計流程。本系統在實(shí)際的振動(dòng)主動(dòng)控制中得到了成功應用。
關(guān)鍵字：數字信號處理器；振動(dòng)主動(dòng)控制；MAX547

0 引言
在現代艦船和空間飛行器上，低頻振動(dòng)是困擾人們的一大難題，如何快速消除振動(dòng)，降低危害，成為人們比較關(guān)注的問(wèn)題。振動(dòng)抑制的方法主要有振動(dòng)被動(dòng)控制和振動(dòng)主動(dòng)控制，振動(dòng)被動(dòng)控制雖然不需要外界提供能量，容易實(shí)現，但對低頻振動(dòng)控制能力有限，對突發(fā)環(huán)境應變能力差；而振動(dòng)主動(dòng)控制則有較大的靈活性，對低頻振動(dòng)抑制的效果尤其好，成為人們重點(diǎn)研究的方法。
本文針對某類(lèi)結構的低頻振動(dòng)控制，設計了以TMS320f2812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812)為核心，包含傳感器、調理電路、D／A轉換電路、功率放大器和作動(dòng)器的多通道嵌入式振動(dòng)主動(dòng)控制系統，結構如圖1所示。首先傳感器拾取振動(dòng)信號，經(jīng)過(guò)電荷放大器轉換調理為0～3V的電壓信號，再經(jīng)濾波和限幅保護送至DSP內部A／D轉換模塊進(jìn)行模一數轉換。DSP根據采集的各路振動(dòng)信號，運行控制算法輸出控制量，經(jīng)過(guò)D／A轉換電路和功率放大器轉換成直接作用在被控對象上的力或力矩，抑制或消除對象振動(dòng)。為了減小D／A轉換階梯信號產(chǎn)生的高頻噪聲，又加入了平滑濾波處理。DSP通過(guò)JTAG口、仿真器與主機相連，進(jìn)行控制算法的編譯和載入，通過(guò)內置SCI模塊與主機串行通信，向主機傳送振動(dòng)信號和控制量，以便對控制過(guò)程分析評價(jià)，對算法改進(jìn)完善。

1 硬件設計
F2812是一款適用于自動(dòng)控制的高性能芯片，具有32位定點(diǎn)處理器，150MHz時(shí)鐘頻率，18K×16位的SARAM和128K×16位的Flash存儲器，硬件實(shí)現乘法運算，處理速度較快；另外具有一些適用于控制系統的內設和接口，如16通道的12位A／D轉換器，外部存儲器并行接口，SCI串行通信接口和JTAG仿真器接口等，因此在本系統中也選用對電纜分布電容要求不高的電荷放大器作為前置放大器；作動(dòng)器可以是壓電器件，也可以是電磁作動(dòng)器件，根據對象的需求，需要配置相應的功放。F2812本身不具有D／A轉換模塊，本文利用MAX547設計實(shí)現了F2812的D／A轉換電路，可以同時(shí)輸出8路模擬信號。

1．1 電荷放大器
常用的電荷放大器是一個(gè)具有直流反饋的反相積分電路，若要改善電路的低頻特性，需要增大直流反饋電阻的阻值，為此我們采用了T型網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現較大阻值。如圖2所示，Ral7、Ral8和Ral9組成T型網(wǎng)絡(luò )，等效電阻為：

通過(guò)調整Ral7、Ral8和Ral9的大小，可以獲得較大的阻值。但在調試的過(guò)程中，我們發(fā)現隨著(zhù)測量時(shí)間的延長(cháng)，輸出仍然會(huì )漂移至飽和，為此我們又利用一個(gè)一階同相積分環(huán)節取出輸出的直流分量，反饋至Ral9的一端，形成自跟隨網(wǎng)絡(luò )，如圖2左半部分所示。使用中積分電容要選擇漏電流比較小、溫漂小、性能比較穩定的電容，放大器要選取高增益、高輸入阻抗、低偏置電流、低溫漂的運算放大器，才能保證電荷放大器的性能。

1．2 濾波保護電路
在振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)際應用中所關(guān)心的信號頻率一般在0．5～200Hz之間，為了濾除低頻漂移和不必要的高頻信號，本文設計了一個(gè)五階貝塞爾(Bessel)低通和一個(gè)一階高通組成的帶通濾波器，五階貝塞爾低通又分別由兩個(gè)二階低通和一個(gè)一階低通組成，它們的參數分別為：通帶增益1，截止頻率475Hz，Q值0．577；通帶增益1，截止頻率565Hz，Q值O．737；通帶增益1，截止頻率530Hz，一、二級二階低通由單位增益KRC電路實(shí)現。
信號在進(jìn)入DSP的ADC之前應采用加法比例電路調整到0～3V之間，低于0V或超出3V均有損壞DSP的危險，為此我們又加了一個(gè)限幅保護電路，如圖3所示。

1．3 D／A轉換電路
本文采用MAX547為核心器件設計實(shí)現了F2812的D／A轉換電路。MAX547內部包含8個(gè)13位的電壓輸出型D／A轉換器，每個(gè)DAC之前均有一個(gè)輸入鎖存器和DAC鎖存器，可以分別單獨選通，進(jìn)行8路D／A轉換。每?jì)陕稤AC共用一個(gè)參考電壓，共需要4個(gè)獨立外部參考電壓。MAX547接口信號有3位地址線(xiàn)，分別對8個(gè)通道編址選擇，有13位數據線(xiàn)，有片選／CS、寫(xiě)入／WR、異步輸入／LD和清零／CLR等控制信號，控制信號均是電平觸發(fā)。這些接口信號均與TTL／CMOS電平匹配，故F2812可直接與MAX547相連而不需進(jìn)行電平轉換。MAX547是±5V雙電源供電，輸出電壓擺幅-4．5 V～4．5V。
當MAX547的寫(xiě)信號／WR和片選信號／CS均為低電平時(shí)，并且A0、A1、A2地址信號有效，則對應通道的輸入鎖存器開(kāi)通，從數據線(xiàn)上讀取轉換數值，當／WR和／CS其中一個(gè)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數據便被鎖入相應輸入鎖存器。／LD負責開(kāi)關(guān)DAC鎖存器，當／LD為低時(shí)，DAC鎖存器開(kāi)通，數據由輸入鎖存器進(jìn)入DAC鎖存器，當／LD變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數據便保持在DAC鎖存器中，由DAC進(jìn)行數一模轉換。當／LD、／WR和／CS均為低時(shí)，數據可以直接傳至DAC鎖存器，但／LD應比／WR推遲50ns反轉高電平。／CLR則可以把DAC轉換內容設置成1000H，使模擬輸出AGND電壓。
F2812具有外部接口(XINTF)，可以映像五個(gè)獨立的外部存儲空間，每個(gè)存儲空間都有一個(gè)片選信號。把MAX54．7的8個(gè)通道地址分配在外部存儲區域0，通過(guò)外部接口總線(xiàn)與F2812的連接如圖4所示。要想啟動(dòng)MAX547內部DACA、DACB、DACC、DACD、DACE、DACF、DACG、DACH進(jìn)行數-模轉換，則分別向地址D9H、B2H、B3H、F4H、F5H、7EH、7FH寫(xiě)入需要轉換的數據即可。對于MAX547需要的四個(gè)獨立參考電壓，系統中采用一個(gè)精密基準電壓芯片REF02提供標準電壓，經(jīng)過(guò)四個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行緩沖。REF02輸出5V標準電壓，經(jīng)過(guò)轉換以后，可以輸出大小可調的標準電壓。跟隨器選用MAX494，在PCB設計時(shí)，為減小電路引線(xiàn)的干擾，最好把MAX494運放的輸入端直接與MAX547參考電壓輸入端相連，如圖4所示。另外為了減小D／A轉換階梯波造成的高頻噪聲，還設計了低通濾波器。