基于DSP芯片TMS320F243實現(xiàn)數(shù)字主動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1 引 言

對數(shù)據(jù)存儲業(yè)來說，磁盤驅(qū)動器生產(chǎn)商通過增加磁道密度（以每英寸的磁道數(shù)為單位）和磁盤轉(zhuǎn)速（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位）來擴(kuò)大計算機(jī)硬盤驅(qū)動器的容量和改善其性能。隨著磁密度的增加，兩相鄰磁道間的距離變小了。因此，所允許的讀／寫頭和磁道的偏離誤差，即磁盤驅(qū)動器業(yè)內(nèi)所說的誤定位，也相應(yīng)的降低了，這樣硬盤很容易受到傷害。他的工作原理決定其必須使用抗惡劣環(huán)境加固技術(shù)，而且主要針對機(jī)械物理環(huán)境和氣候環(huán)境實施加固。對磁盤存儲設(shè)備來說，機(jī)械物理環(huán)境中最為惡劣的是振動、沖擊環(huán)境。本文采用了外加固主動控制理論與技術(shù)，將電磁主動控制技術(shù)用于計算機(jī)外部設(shè)備（微型盤）的振動沖擊外加固，并且構(gòu)建了以DSP為硬件平臺的數(shù)字主動控制系統(tǒng)。

2 數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

從1982年TI（美國德州儀器公司）推出通用可編程DSP芯片以來，DSP技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展。目前DSP芯片市場中，主要由TI，ADI，AT&T和Motorola公司占據(jù)。本文綜合實際要求，采用一款由TI公司生產(chǎn)的新型16位定點DSP芯片：TMS320F243，他集成了A／D，PWM調(diào)制等幾種先進(jìn)外設(shè)，特別適于對電機(jī)的數(shù)字化控制。

2．1 控制系統(tǒng)原理

數(shù)字信號處理器（DSP）具有實時信號處理能力和強(qiáng)大的運(yùn)算功能。該系統(tǒng)的工作原理是基礎(chǔ)加速度傳感器拾取基礎(chǔ)振動沖擊加速度信號，然后送人前置放大器，由DSP將電荷放大器輸出信號經(jīng)A／D采樣后，完成對信號的一次積分（轉(zhuǎn)換為速度信號）和二次積分（轉(zhuǎn)換為位移信號）運(yùn)算，將兩次積分結(jié)果做求和運(yùn)算，再將結(jié)果經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后輸入到功率放大器，最后將功率放大器輸出信號以控制電壓的形式加在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生相應(yīng)的作動力來抵消來自基礎(chǔ)的振動和沖擊。由于DSP片內(nèi)集成了10b的A／D，所以可直接將模擬信號與DSP相接，圖1是整個數(shù)字控制系統(tǒng)的原理框圖。

2．2 DAC接口與外部存儲器擴(kuò)展

系統(tǒng)中的D／A器件選用了URR-BROWN公司的DAC761l。由于DSP內(nèi)部10bA／的電壓輸入范圍為0-5V，輸入信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后由數(shù)值0-1 023（十進(jìn)制數(shù)）來分別對應(yīng)0～5V的電壓信號。所以DSP的輸入信號已不是正負(fù)對稱信號，并且系統(tǒng)中DAC7611的輸出范圍為0～4．095V，而系統(tǒng)后級中功放的輸入應(yīng)是零均值的，所以需要對DAC輸出信號利用運(yùn)算放大器進(jìn)行電平變換。

另外，DAC7611對于時鐘信號的要求非常嚴(yán)格。他要求其時鐘信號的上升沿發(fā)生在每一位數(shù)據(jù)的傳送過程中。TMS320F243的SPI（串行外設(shè)接口）是一個高速、同步串行I／O口，他可以設(shè)置每次產(chǎn)生的串行數(shù)據(jù)流的位數(shù)（1～16位），并且對于位傳輸速度也可以編程控制。 SPI的時鐘輸出信號線SPICLK能夠提供4種類型的時鐘信號。其中有一種帶延時的上升沿時鐘，可使SPI在上升沿之前的半個周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，或在SPICLK信號上升沿后接收數(shù)據(jù)。這恰好符合DAC7611時鐘信號的要求。

由于DSP片內(nèi)資源有限，設(shè)計中在片外擴(kuò)展了用于存放數(shù)據(jù)的RAMCY71021，其讀寫時間為12ns，與DSP的速度匹配。并且該芯片在未被操作時會自動采用低功耗工作方式。在利用DSP的串行外設(shè)接口向D／A傳送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)還采用光耦器件將數(shù)、模電路進(jìn)行隔離。外圍接口電路如圖2所示。

由于系統(tǒng)加電后，程序首先是從片內(nèi)的FLSH程序ROM開始執(zhí)行的，所以一定要把引腳MP／MC接成微處理器方式。

3 數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3．1 控制算法

經(jīng)過深入研究和大量的分析、計算，得出該系統(tǒng)的機(jī)電動力學(xué)模型如下：

系統(tǒng)的傳感檢測方程：

其中：u為基礎(chǔ)振動加速度：

c1，k1分別為與基礎(chǔ)振動相關(guān)的二次積分和一次積分系數(shù)。

設(shè)u為u的電荷放大信號，根據(jù)控制要求，該系統(tǒng)主要利用DSP完成以下運(yùn)算：

并采用均值補(bǔ)償法對積分結(jié)果進(jìn)行修正，實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的控制。將上式離散化則生成：

顯然這需要2次積分運(yùn)算，其運(yùn)算過程如下：

其中：m1（n），m2（n）分別是一、二次積分運(yùn)算的均值。

3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)頭文件（擴(kuò)展名為．h）的主要功能就是將DSP內(nèi)部的各個特殊功能寄存器的名稱與其默認(rèn)地址相對應(yīng)。在匯編語言的執(zhí)行過程中DSP指針會直接按寄存器名去訪問在頭文件中規(guī)定過的地址。命令文件（擴(kuò)展名為．cmd）實際上是DSP的資源配置文件，在PAGE0頁（程序空間）他定義了各程序模塊的起始地址和空間長度，對片內(nèi)、外各程序段、中斷矢量表的定義等；在PAGEl頁（數(shù)據(jù)空間）他定義了各數(shù)據(jù)模塊的起始地址和空間長度，如對各種參數(shù)片內(nèi)、外數(shù)據(jù)區(qū)的定義等。此外，應(yīng)注意遵守DSP實際存儲器及存儲空間的約定。

由于該系統(tǒng)主要是通過DSP的ADC模塊和SPI模塊與其外圍器件通信，所以在軟件設(shè)計中需要對他們的工作模式進(jìn)行配置。對于片內(nèi)ADC的工作模式：首先應(yīng)該確定ADC的啟動模式，然后使ADC達(dá)到10kHz的采樣率。為了保證準(zhǔn)確的采樣率，通過DSP內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)產(chǎn)生中斷作為ADC的啟動方式。由于TMS320F243的機(jī)器指令周期為50ns，所以在兩次采樣時間間隔內(nèi)至多可以運(yùn)行約2 000個指令周期，否則就不能完成實時運(yùn)算。對于SPI模塊：首先設(shè)定其通信方式為主模式，使數(shù)據(jù)按時序從SPISIMO管腳移出；然后設(shè)定每次傳輸串行數(shù)據(jù)的位數(shù)、時鐘信號方式、傳輸速率等。由于DSP片外D／A器件為12b，而DSP的數(shù)據(jù)總線位16b，所以必須將最后的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整后再由SPI送出。

另外，DSP內(nèi)部的A／D由數(shù)值0～1 023（十進(jìn)制數(shù)）來分別對應(yīng)0～5V的輸入電壓信號，所以應(yīng)由值511來表示零均值點，這一點在均值補(bǔ)償時要特別注意。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

采用DSP直接實現(xiàn)機(jī)電控制是近年才發(fā)展起來的一項技術(shù)，他比傳統(tǒng)控制方法具有鮮明優(yōu)點。實驗表明，以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時控制，而且低頻段的相位誤差非常小，同時又可以兼顧較高頻段，適用范圍大。此外，他穩(wěn)定性好、精度高，并易于實現(xiàn)復(fù)雜模型的控制。

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