基于Ｃ８０５１Ｆ的磁流變控制器設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種基于C8051F310 MCU的磁流變阻尼器控制器設(shè)計(jì)方法。并給出了控制器的總體結(jié)構(gòu)、接口電路與軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出樣機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中效果較好。

關(guān)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(diào)節(jié)主要依靠調(diào)節(jié)其內(nèi)部勵(lì)磁線圈電流的方式實(shí)現(xiàn)，一般通過(guò)控制器將外界控制端發(fā)出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)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(lì)磁線圈。在工程控制過(guò)程中，磁流變阻尼器控制器的實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)對(duì)阻尼器性能的影響很大。從設(shè)計(jì)原理來(lái)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(duì)勵(lì)磁線圈的等效電路圖分析可知電流源響應(yīng)速度快于電壓源。因此MRFD控制器的設(shè)計(jì)幾乎都采用電流源控制方式。

MRFD控制器的性能指標(biāo)有：磁流變阻尼器的控制電流與阻尼力的線性關(guān)系，要求控制電流連續(xù)可調(diào)并具有較高的線性度和較小的相對(duì)誤差；振動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性要求控制器響應(yīng)速度要快；用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控時(shí)需要友好的人機(jī)界面、和外部測(cè)控系統(tǒng)的無(wú)縫連接；用于獨(dú)立控制時(shí)能夠提供各種內(nèi)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(shè)計(jì)方法。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)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(xiàng)參數(shù)，接受內(nèi)外部發(fā)出的控制命令，并通過(guò)PWM轉(zhuǎn)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(hào)控制驅(qū)動(dòng)阻尼器。

手動(dòng)輸入輸出模塊通過(guò)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(guò)專用接口與外部PC機(jī)控制系統(tǒng)串接。

硬件電路

C8051F310的可編程計(jì)數(shù)器(PCAO)由一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器，定時(shí)器和5個(gè)16位捕捉，比較模塊組成。將捕捉，比較模塊的工作方式設(shè)定為8位PWM，把PWM脈沖輸出到MOS管功率驅(qū)動(dòng)單元，從而控制磁流變阻尼器的電流值。將通過(guò)阻尼器的電流采樣放大后，送入C8051F310的A/D單元中，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)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(shè)定的電流值相比較得到的誤差值，通過(guò)特殊的算法來(lái)調(diào)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4×4的數(shù)字鍵盤，用外中斷來(lái)讀取鍵盤的值，從而解碼出被按下的鍵值，從而可以手動(dòng)設(shè)置磁流變阻尼器控制電流值，并且把按下的鍵值傳送給顯示單元AXG12864LED。

AXGl2864顯示模塊顯示屏為128列、64行、使用1片有64行輸出的行驅(qū)動(dòng)器和2片列驅(qū)動(dòng)控制器，其中每片列驅(qū)動(dòng)器有64路輸出。行驅(qū)動(dòng)器與MCU沒(méi)有關(guān)系，只要提供電源就能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和同步信號(hào)，模塊的外部信號(hào)僅與列驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置64×64位顯示存儲(chǔ)器，RAM被分為8頁(yè)，每頁(yè)8行；顯示屏上各像素點(diǎn)顯示狀態(tài)與顯示存儲(chǔ)器各位數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，顯示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為“1”顯示，為“O”不顯示。圖2為AXGl2864顯示模塊自身的邏輯電路接口框圖。

利用C8051F310的UART0單元與上位機(jī)(PC機(jī))通訊。它是一個(gè)異步全雙工的串口，這里我們把它設(shè)定在8位UART方式，并通過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平，從而可以同PC機(jī)的COM口來(lái)完成通訊功能。在PC機(jī)上使用VB編程，通過(guò)調(diào)用MSCOMM控件來(lái)對(duì)COMl3操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變阻尼器的控制，也實(shí)時(shí)地讀取磁流變阻尼器的當(dāng)前狀態(tài)值。

磁流變阻尼器控制系統(tǒng)各個(gè)接口的電路圖3所示。

軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用中斷向量法，用到的中斷包括A/D采樣中斷、PWM中斷、異步串口中斷、鍵盤中斷、顯示器中斷和故障中斷。優(yōu)先級(jí)順序從高到低依次為故障中斷、PWM中斷、A/D采樣中斷、鍵盤中斷、異步串口中斷、顯示器中斷。部分程序框圖見圖4。

結(jié)語(yǔ)

圖5是磁流變阻尼器控制器的樣機(jī)，并已在受控磁流變阻尼器為RD-1005系列的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試，起到了很好的控制作用。

參考文獻(xiàn)：

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