基于ＤＳＰ的磁流變減振模糊控制系統設計

前言
　　
　　磁流變液是一種阻尼可控的智能材料,它由微米級的磁性顆粒與絕緣載液、穩定劑混合而成。在無(wú)磁場(chǎng)作用下其流變特性為牛頓流動(dòng)，而在外加磁場(chǎng)的作用下, 磁流變液在毫秒級的時(shí)間內可以實(shí)現從液態(tài)到固態(tài)的可逆轉換。當外加磁場(chǎng)撤去時(shí),磁流變體又恢復到原來(lái)的液體狀態(tài),其響應時(shí)間僅為幾毫秒,易于控制并且連續可控, 利用流變特性這一特性制作的磁流變減振器是一種典型的非線(xiàn)性系統,具有高度的非線(xiàn)性、時(shí)滯性和不確定性,非線(xiàn)性特性是其影響工作的重要因素。在磁流變減振控制系統中，采用傳統的控制方法對磁流變阻尼器進(jìn)行控制，控制效果有時(shí)難以滿(mǎn)足要求，模糊控制不需要精確的數學(xué)建模，大量文獻和工程應用表明，模糊控制具有很強的魯棒性，能夠較好的應用于磁流變減振控制系統。
　　本文設計一種基于DSP的磁流變減振模糊控制系統，以TMS320LF2407為控制系統核心，采用模糊控制策略，較好的實(shí)現了系統的減振控制，且系統結構簡(jiǎn)單、實(shí)現方便，適用性強。
　　
　　1 系統設計方案
　　
　　1.1 系統主控芯片TMS320LF2407
　　TMS320LF2407 芯片是美國德州儀器公司開(kāi)發(fā)的 DSP 控制器 24x 系列的成員之一，是TMS320C2000 平臺下的一種定點(diǎn) DSP 芯片，具備以下特點(diǎn)：
　　(1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，供電電壓僅為 3.3V，功耗低；30MIPS的執行速度使得指令周期縮短到 33ns（30MHz）,實(shí)時(shí)控制能力強。
　　(2)片內有高達32K的 FLASH 程序存儲器，高達 1.5K 字的數據/程序 RAM，544 字雙口RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM。
　　(3)兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)包括：兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器；8 個(gè) 16 位的脈寬調制(PWM)通道。10 位 A/D 轉換器，最小轉換時(shí)間為 500ns，可選擇由EVA或EVB來(lái)觸發(fā)的兩個(gè)8 通道輸入 A/D 轉換器或一個(gè) 16 通道輸入的 A/D 轉換器。
　　(4)可擴展的外部存儲器總共 192 字空間；64K 字程序存儲器；64K 字 I/O 尋址空間。
　　(5)高達 40 個(gè)可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）。
　　(6)5 個(gè)外部中斷，電源管理包括3 種低功耗模式，并且能獨立將外設器件轉入低功耗模式，16位串行外設接口模塊。
　　利用芯片的片內外設及其優(yōu)點(diǎn)，以此芯片作為系統控制器的核心。
　　1.2 模糊控制技術(shù)
　　模糊控制特別適用于存在參數時(shí)變、非線(xiàn)性、強耦合系統，這類(lèi)系統的精確數學(xué)模型的建立困難很大，甚至于無(wú)法建模。模糊控制是通過(guò)模糊控制器來(lái)實(shí)現的，模糊控制器是對人腦所具有的模糊推理機能的模擬。它是應用模糊數學(xué)的知識，模擬人的思維方法，把人類(lèi)自然語(yǔ)言描述的控制策略改造成模糊控制規則，依據規則確定控制量。模糊控制基于模糊控制規則、經(jīng)推理后控制被控對象，魯棒性強。模糊推理控制在智能結構振動(dòng)控制中已有較多的應用。本文采用模糊推理策略，設計了相應的模糊控制器，實(shí)現控制電流的輸出控制。模糊控制結構框圖如圖1所示：
　　
　　
　　
　　2 硬件電路
　　
　　本設計中，減振系統的垂直加速度和加速度變化率信號經(jīng)輸入電路處理后輸入DSP控制器，然后通過(guò)控制算法得到輸出量，最終控制器輸出的是脈寬調制 (PWM)信號，經(jīng)功率放大后，通過(guò)調節主回路的導通時(shí)間輸出不同的電流，從而改變磁流變阻尼器的阻尼系數，實(shí)現控制作用。硬件電路主要包括信號輸入電路、TMS320LF2407控制器和PWM驅動(dòng)電路。
　　系統就構框圖如圖2：

　　
　　
　　如圖所示，控制系統硬件平臺由加速度傳感器、信號輸入模塊、A/D轉換模塊、DSP控制器、電流驅動(dòng)器、磁流變阻尼器以及減振平臺等部件組成。系統用加速度傳感器采集減振平臺垂直加速度，然后對采集的信息進(jìn)行分析、處理，并向執行元件發(fā)出控制指令，最后產(chǎn)生動(dòng)作。
　　在信號輸入電路中,模數轉換芯片根據系統采樣率、ADC有效位數等要求，選用TI公司的16位標準同步串行接口(SPI)芯片ADS8320和 MAXIM公司的MAX125。ADS8320與DSP串口連接，連接信號線(xiàn)DCLOCK、數據傳輸信號Dout和使能信號CS，MAX125的數據線(xiàn)直接和DSP相連。采用查詢(xún)模糊控制表實(shí)現模糊控制器的控制作用，通過(guò)事先的離線(xiàn)計算得到模糊控制器的查詢(xún)表，然后將查詢(xún)表存放到計算機中，在過(guò)程控制中，計算機直接根據采樣參數e和de，由查詢(xún)表行、列找到與之對應的同樣以論域元素形式表現的模糊控制量變化u，再由反模糊化過(guò)程得到精確控制量，并以此控制輸出電流的大小。
　　輸出電路芯片采用DAC7625，用電流驅動(dòng)器來(lái)轉換出磁流變阻尼器所需要的電流信號。
　　先初始化比較單元，設置和載入比較控制寄存器、定時(shí)器。由EVB模塊的定時(shí)器3的周期中斷觸發(fā)PWM中斷，PWM中斷子程序主要完成調整比較寄存器的值以輸出不同占空比的PWM波形，然后開(kāi)A/D中斷?！?/span>