基于DSP的磁流變阻尼器的控制方法

摘要: 以美國德州儀器公司推出的十六位定點通用數(shù)字信號處理芯片DSP為核心開發(fā)出精確可控的電流控制器，電流可在0~1.5A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出電流精度高，線性度好，控制效果顯著。
關(guān)鍵詞：DSP; 電流控制器; 磁流變阻尼器; PWM控制
中圖分類號：TP2 文獻標識碼：B 文章編號：
1 引言
磁流變阻尼器是一種在磁場作用下阻尼可控的器件，在航空、汽車等領(lǐng)域具有廣泛應用前景。與傳統(tǒng)汽車懸架系統(tǒng)相比，裝有磁流變阻尼器的半主動懸架系統(tǒng)可以根據(jù)路面狀況和車輛運行狀態(tài)在計算機的控制下自動調(diào)節(jié)阻尼器的阻尼力，大大提高汽車的舒適性和行車安全性[1，2]。磁流變阻尼器的工作原理是改變勵磁線圈中的電流從而獲得不同強度的磁場，使工作腔中的磁流變液的流動特性發(fā)生變化，從而改變阻尼力的大小。因此，控制器只要能實時精確調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的驅(qū)動電流，就能達到控制磁流變阻尼器的目的。經(jīng)文獻檢索，國內(nèi)外未見磁流變阻尼器的電流控制器設計的報道。根據(jù)美國LOAD公司的網(wǎng)站最新發(fā)布的信息，LOAD公司已經(jīng)研制出了適用于LOAD公司生產(chǎn)的Rheonetic系列磁流變器件的電流控制器RD-3002。它可以工作在手動調(diào)節(jié)和外加電壓控制調(diào)節(jié)兩種方式下，能與計算機或PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。RD-3002需要外加12V，2A的電源，外加控制電壓：0~5V，輸出電流：0~2A。但是他們沒有公布設計的原理和實現(xiàn)的方法。
美國德州儀器公司（Texas Instrument）推出的定點十六位通用數(shù)字信號處理芯片TMS320F240,采用改進哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的總線分開，可以最大限度提高處理能力。為了適合工業(yè)控制要求，F(xiàn)240集成了許多外設，包括3個16位通用定時器，12路帶死區(qū)控制的PWM輸出、雙通道10位A/D輸入，串行通信接口以及Watchdog、PLL電路。因此，我們充分利用F240的硬件資源，根據(jù)PWM信號控制開關(guān)器件調(diào)節(jié)電流的原理，順利地設計出磁流變阻尼器的的控制器，并且F240的強大處理能力為今后系統(tǒng)擴展留有余地。下面將詳細介紹基于DSP的磁流變阻尼器的控制器的設計原理和控制方法。

RS為采樣電阻，KI0表示輸出電流的采樣，K為增益系數(shù)， KI0輸入到DSP集成的A/D口，DSP 對采樣信號進行運算后，根據(jù)相應控制策略輸出一定占空比的PWM信號，控制主回路的輸出電流大小。

控制器的軟件采用F240匯編語言設計，框圖如圖3所示。系統(tǒng)工作時主程序可以處理其它事務，當定時器2發(fā)生周期中斷時，觸發(fā)A/D采樣，然后采樣值與系統(tǒng)給定值相減，誤差輸入PID控制模塊，輸出PWM信號的占空比D，D送給PWM信號發(fā)生模塊，產(chǎn)生的PWM信號用于控制驅(qū)動電流的輸出。
3 A/D采樣
F240內(nèi)部集成了兩個帶采樣-保持電路的10位ADC模塊。每個模塊有8個模擬輸入通道，它們通過一個8選1模擬多路轉(zhuǎn)換器提供給ADC。每個ADC單元的最大轉(zhuǎn)換事件為6.6μs[3]。ADC模塊的參考電壓必須由外部電源提供，上級參考電壓和下級參考電壓可以設置為小于或等于5Vdc的任意值，分別接到VREFHI和VREFLO引腳。VCCA和VSSA引腳必須分別接到5Vdc和模擬地。ADC模塊框圖如圖4所示。

本系統(tǒng)采用ADC1模塊的1通道輸入采樣信號，采用定時器2周期中斷觸發(fā)方式，操作步驟如下：
1） 設置定時器控制器GPTCON的位9，10為0，1，將定時器2的周期中斷作為ADC的內(nèi)部啟動信號。
2） 設置ADC控制寄存器1（ADCCTRL1）。
位12 清0，禁止ADC2（沒有用到ADC2）；
位11置1， ADC1被使能；
位10清0， 非連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；
位9 置1，當AD轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生一個中斷；
位8 置1，ADC中斷標志位，當AD轉(zhuǎn)換完成后該位被置1；
位6-4 ADC2通道選擇；
位3-1置為 000 ，ADC1通道選擇，000為通道1；
位0 置1， AD開始轉(zhuǎn)換；

3） 設置ADC控制寄存器2（ADCTRL2）。
位10 置1，ADC轉(zhuǎn)換與一個事件管理器信號同步（GPT2的周期中斷信號）；
位9 清0，屏蔽外部信號觸發(fā)；
位2-0置為 101， 輸入時鐘預定標為16。單個ADC模塊在一個ADC預定標時鐘周期內(nèi)完成輸入的采樣，在5個 ADC預定標時鐘周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，所以一次采樣/轉(zhuǎn)換需要6個預定標時鐘周期內(nèi)完成。ADC模塊的結(jié)構(gòu)要求采樣/轉(zhuǎn)換時間要等于或大于6μs才能保證轉(zhuǎn)換正確。預定標值必須滿足：SYSCLK時鐘周期×預定標值×6≥6μs。
在系統(tǒng)中設置SYSCLK時鐘周期為0.1μs，0.1μs×16×6=9.6μs≥6μs。
4） 讀ADC1的數(shù)字結(jié)果寄存器。
ADC的數(shù)字結(jié)果寄存器是一個2深度的FIFO的只讀寄存器，位15-6是實際的10位轉(zhuǎn)換值。位5-0保留。
4 PWM波形的生成
F240具有12個器件引腳用于PWM信號輸出，具有以下特點：
•16位的最大PWM分辨率；
•PWM載波頻率可以實時改變（雙緩沖的周期寄存器）；
•PWM脈寬可以實時改變（雙緩沖的比較寄存器）；
•功率驅(qū)動保護中斷，可以監(jiān)控程序提供的驅(qū)動異常，如過電壓、過電流和溫升過高；
•可以編程產(chǎn)生對稱、非對稱和空間向量的PWM波形；
•比較和周期寄存器自動重載，使CPU開銷最??；
•全比較單元的三對引腳還可以輸出帶死區(qū)的PWM波形，死區(qū)寬度在0～2048個CPU時鐘周期內(nèi)可編程。
要產(chǎn)生一個PWM信號，需要一個合適的定時器來重復產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器保持調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時器的計數(shù)值相比較，當兩個值匹配時，在相應的輸出上就會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換（從低到高或從高到低）。當兩個值之間的第二次匹配產(chǎn)生或一個定時器周期結(jié)束時，相應的輸出上又會產(chǎn)生一次轉(zhuǎn)換（從高到低或從低到高）。通過這種方法所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時間就會與比較寄存器的值成比例。在每定時器周期中，這個過程都會出現(xiàn)，通過改變比較寄存器的值，就能產(chǎn)生一個PWM信號，見圖5。


本系統(tǒng)用全比較單元PWM1/CMP1引腳產(chǎn)生100kHz的對稱PWM波形，具體步驟如下。
1） 設置和載入全比較動作控制寄存器ACTR：SPLK #0000011001100101b, ACTR
位1-0 置為10使PWM1 高電平有效，在比較寄存器的值與定時器的計數(shù)值相匹配時，PWM1輸出產(chǎn)生一個從低到高轉(zhuǎn)換，第二次匹配又產(chǎn)生從高到低的轉(zhuǎn)換。
2） 初始化全比較單元1比較寄存器CMPR1：SPLK #0000h, CMPR1。
3） 設置和載入比較控制寄存器：SPLK #0100101111010111B, COMCON 。
位15清0，禁止全比較操作；
位14-13，置為10 立即重載比較寄存器CMPR1的值；
位12清0，禁止空間向量輸出；
位11-10，置為10立即重載動作控制寄存器ACTR的值；
位9置1，PWM輸出使能；
位0置1，PWM1/CMP1引腳輸出模式為PWM模式。
4）設置和載入比較控制寄存器：SPLK #1100101111010111B, COMCON。
位15置1，全比較操作使能。
5）設置和載入定時器 GP1的周期寄存器T1PR：SPLK #100, T1PR。
連續(xù)加/減計數(shù)模式下，當CPU時鐘頻率=20MHz時，PWM的載波頻率= 20MHz/（100*2）。
6）設置和載入比較寄存器CMPR1，確定PWM波形的脈寬：SPLK #50, CMPR1。
PWM波形的占空比=50/100*100%=50%。
7）設置和載入GP1的計數(shù)寄存器T1CNT：SPLK #0FFFEH,T1CNT。
初始化GP1的計數(shù)寄存器值。
8）設置和載入定時器 GP1的控制寄存器T1CON，啟動操作：
SPLK #1010100001000000b, T1CON；
位13-11置為101， GP1處于連續(xù)加/減計數(shù)模式；
位10-8置為000，輸入時鐘預定標GP1時鐘周期=CPU時鐘周期；
位6 置1允許GP1操作；
位5-4置為00，時鐘源使用內(nèi)部時鐘；
位3-2置為00，GP1計數(shù)器值為0時重載；
位1清0，禁止GP1比較操作。
注意：
1） 使用全比較單元產(chǎn)生PWM波形，只能使用定時器GP1；
2） 為確保所有全比較輸出的起始狀態(tài)正確，COMCON必須被寫入兩次。
5 測試結(jié)果
電流控制器輸出特性見圖6，從圖中可以看出實驗結(jié)果與理論計算相吻合，輸出電流與PWM信號占空比成線形關(guān)系。電流控制器對磁流變阻尼器的控制效果見圖7，從圖中可以看出，隨著線圈電流強度的增加，示功圖的面積逐漸增大，表明了減振器的阻尼力增大和在一個循環(huán)中減振器所耗散的功增大，控制效果非常明顯。


6 結(jié)論
本文以美國德州儀器公司的定點十六位通用數(shù)字信號處理芯片TMS320F240為核心設計了用于磁流變阻尼器的電流控制器，經(jīng)實驗證明
（1） F240具有豐富的外設資源，極高的性價比，尤其是它集成了12路PWM輸出和16路10位A/D轉(zhuǎn)換，采用它可以提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，縮短研發(fā)周期，為自動控制系統(tǒng)開發(fā)人員提供了一種新的選擇；
（2） 基于F240的電流控制器可在0~1.5A范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，響應速度快，輸出線性度較好，輸出穩(wěn)定性好（輸出電流變化<0.03A），控制效果顯著。