基于DSP的磁懸浮有害力矩測試儀的研究

梁慧群， 劉連芳

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

三浮陀螺儀是在單自由度液浮積分陀螺基礎上研制的高精度陀螺。磁懸浮技術作為三浮陀螺中的關鍵支承技術之一，它的主要作用是使儀表浮子沿輸出軸定中心，使之完全脫離機械接觸，克服重浮力殘差、其它偏心負載和運動慣性力作用，有效地提高了輸出軸的定心精度，從而提高儀表精度和長期穩定性。然而，磁懸浮的采用也引入了繞陀螺儀輸出軸的干擾力矩，即磁懸浮有害力矩。為了獲得儀表的高精度，必須使磁懸浮的有害力矩減小到最低容許的程度。磁懸浮有害力矩測試儀是開展磁懸浮各項研制工作以及批量生產的保障條件之一，對磁懸浮的發展及提升有著重要的現實意義，對推進三浮陀螺儀及其它液浮慣性器件的發展有著重要影響[1]。

DSP芯片數字處理器是一種具有特殊結構的微處理器，其內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來快速實現各種復雜的數字信號處理算法。

1 系統總體設計

磁懸浮有害力矩測試儀的構成主要包括:支承部件（被測元件的裝夾結構）、殼體、浮子組件（含陀螺電機、傳受感器）、浮液、磁懸浮、平衡裝置等，如圖1所示。

圖1 有害力矩測試儀組成示意圖

磁懸浮支承對浮子組件施加作用力，如果磁懸浮作用力的方向永遠通過浮子組件的旋轉軸，那么磁懸浮將不對浮子組件產生干擾力矩。但實際情況下，磁懸浮作用力不可能完全通過浮子組件的旋轉軸，那么在輸出軸上將產生干擾力矩，陀螺儀將產生繞輸出軸轉動，使之與殼體之間出現繞輸出軸的相對角位移。這時信號器就有信號輸出，其輸出為與偏轉角成比例的調幅電壓信號，該電壓輸入到殼體外部的信號檢測電路，經過信號處理與變換，輸出一成比例的直流電流至儀表的力矩器，產生與電流成比例的力矩。這一力矩繞輸出軸作用在浮子組件上，在穩態時它與浮子力矩相等，此時，力矩器的力矩即為所測的有害力矩。

2 系統硬件電路設計

以信號調理電路、高性能的數字信號處理器（DSP）為核心的信號檢測系統方案對輸出信號和數據進行高精度的實時處理，當輸出軸上有干擾力矩作用時，角度傳感器對其敏感，輸出一個與角度成正比的電壓信號，對這個信號設計采集調理電路，解調出直流信號，DSP對采集來的數據進行數字濾波，將微弱信號提取出來。利用DSP的PWM產生兩個脈寬可調制的信號，對力矩器前的橋式開關進行控制，保證力矩器流入恒定的電流[2]。

2.1 信號調理方案設計

角度傳感器輸出的為一微弱的毫伏級信號，需要信號調理電路使信號放大到ADC能夠分辨和接受輸入的電壓范圍之內。信號調理電路包括前置放大電路、帶通濾波電路、相敏解調電路和A/D轉換電路[3]。信號調理框圖如圖2所示。

圖2 信號調理框圖

前置放大電路采用新型精密儀表放大器INA118，它由美國B-B公司生產，具有精度高、功耗低、高共模抑制比（最小110 dB）、工作頻帶寬（單位增益為800 kHz）和抗干擾能力強等優點，適合對各種微小信號進行放大，其增益可通過調節引腳1和引腳8之間接入的電阻Rg來進行改變，從1到1 000不等[4]，其放大倍數為:G=1+ 50 kΩ/Rg。

濾波電路采用美國B-B公司生產的通用有源濾波器UAF42，內部集成了一個反相放大器和兩個積分器，采用狀態可調模擬結構，通過改變電路參數就可設計成滿足各種需要的高通、低通和帶通濾波器，其設計方便，使用靈活。B-B公司還提供了一個仿真設計軟件——FILTER42軟件。利用該軟件可以簡化基于UAF42的設計，方便靈活地設計各種不同類型的濾波器，只需根據電路的要求將參數輸入到此軟件中，就可以計算出元件的相應值，還可以對濾波器的輸出狀態進行仿真。

相敏檢波電路是具有鑒別調制信號相位和選頻能力的檢波電路。它可以通過鑒別調制信號相位來判別被測量變化的方向，同時它的選頻能力使測控系統的抗干擾能力有很大的提高，相敏檢波電路需要一個參考信號，可以用它對所需要解調的調幅信號的相位和頻率進行判斷[5]。本設計選用相敏檢波電路為精密整流型，構成全波精密相敏檢波電路，來提高儀器選擇信號、排除干擾的能力，得到實際的輸出信號。

2.2 DSP芯片選擇

文中選用TMS320F2812作為核心處理器。TMS320F2812DSP是TI公司最新推出的32位定點DSP控制器，是目前市場上最先進、功能最強大的數字信號處理器之一，它既具有數字信號處理能力，又具有強大的事件處理能力和嵌入式控制功能，特別適合于有大批量數據處理的測控場合，能夠實現復雜的控制算法[6]。

TMS320F2812為低電壓，多電源DSP，其核心電壓為1.8 V，I/O的工作電壓為3.3 V，因此采用雙供電方式，為了提高系統的穩定性和延長器件的使用壽命，系統對上電順序有嚴格的要求: I/O電源要先于CPU電源上電，并且上電相差的時間不能太長，否則，將會對芯片的壽命產生影響，嚴重的甚至會損壞芯片。

2.3 ADC轉換單元

A/D轉換器模塊采用 TMS320F2812的ADC模塊，它是一個12位分辨率、具有流水線結構的模數轉換器。為了滿足大多數系統的需要，A/D轉換器ADC模塊共有16個輸入通道，可配置成兩個獨立的8通道的模塊，以便為事件處理器A和B服務。這兩個獨立的8通道模塊也可以聯成一個16通道模塊，雖然在ADC模塊中有兩個排序器和多個輸入通道，但是其內部實際上只有一個轉換器。

為獲得高精度的轉換結果，應將連接到引腳ADCINxx的模擬量信號盡可能遠離數字電路信號線，同時注意將引腳ADCL0接地，否則，將采集不到正確的數據。此 ADC模塊需要一個3.3 V的模擬電壓，我們設計用一個獨立的3.3 V電源芯片為ADC模塊提供電源，這保證了ADC模塊的電源輸入與數字電源的隔離，減少了因數字信號的轉換產生的耦合干擾。

3 系統軟件的設計

作為磁懸浮有害力矩測試儀，由于工藝水平和制造技術的限制，提高硬件精度往往需要付出很大的代價，甚至用硬件無法實現。因此，當系統硬件方案確定之后，其軟件的設計對系統性能的影響是至關重要的，是系統能否正常工作，能否進行有效測試的核心。

本系統軟件設計的核心思想是在利用硬件資源的前提下，利用軟件來提高精度。利用TMS320F2812自帶的A/D轉換器件將微弱的模擬信號轉換為高位數的數字量，然后采用數字信號處理的方法，對轉換結果進行濾波去除干擾，取得高精度，并由TMS320F2812的PWM輸出一脈沖寬度可調制的方波，作為力矩器的驅動電流。因此，程序主要是信號采集程序和數據處理程序及PWM方波的輸出程序[7]，軟件設計采用模塊化設計，下面對其進行介紹。

3.1 主程序設計

主程序軟件流程如圖3所示。

首先要配置DSP的工作環境，在本系統中采用定時器觸發進行A/D轉換，采集前主程序先調用初始化子程序對系統進行初始化，采用TMS320F2812片內集成的ADC模塊進行數據采集;當轉換完畢后，進入中斷子程序，對接收的數據進行數據處理，同時控制輸出PWM波形。

圖3 主程序軟件流程

3.2 初始化子程序設計

初始化子程序框圖如圖4所示。

圖4 初始化子程序框圖

在初始化子程序中，主要是完成以下功能:設置內部時鐘，CPU定時器初始化，關閉看門狗，鎖相環使能，片內存儲器周期、工作方式，外設接口等的初始化。串行口使能，允許串行口接收中斷。對寄存器送命令字或賦初值，中斷向量表初始化，屏蔽不需要發生的中斷，對變量進行定義及初始化。對A/D采樣模塊進行初始化，包括模數轉換模塊的工作方式、通道選擇、啟動方式等的初始化。初始化完成后，子程序返回。

3.3 PWM脈寬調制模塊

脈沖寬度調制PWM是開關電源控制技術中的一種，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制。它具有兩個顯著的優點:一是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，不需要進行數模轉換;另一個是對噪聲抵抗能力的增強。

PWM是利用波脈沖寬度控制輸出，在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。因其經濟、節約空間、抗噪性能強，以及控制方法容易實現，所以在測量、通信和功率控制與變換的許多領域中被廣泛應用[8]。

在本系統中，由TMS320F2812的PWM輸出一脈寬可調制的方波信號，此信號經驅動后，與力矩器前橋式開關的兩個接線點相連接，來控制力矩器的電流流入方向和電流的通斷時間，力矩器的電流由恒流源提供。為了產生PWM信號，使用一個定時器重復按照PWM的周期來計數。用一個比較寄存器來保持調制值。定時器計數器的值不斷地與比較寄存器的值進行比較，當兩值匹配時，相關輸出產生從低到高（或從高到低）的變化。當第二次匹配產生或周期結束時，相關的引腳會產生另一個從高到低（或從低到高）的變化。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值重復，這樣就產生了PWM信號。

4 結 語

提出了基于DSP的磁懸浮有害力矩測試儀的總體設計方案，硬件電路簡單，易于實現。系統抗干擾性強，精度高，可實現復雜的控制算法。同時運用DSP輸出PWM對力矩器進行控制，無需進行模數轉換，參數調節靈活，為磁懸浮有害力矩研究提供一種技術途徑。

[1] 張宗美.慣性儀表磁懸浮技術[J].國外導彈期刊，1983（5）:51-57.

[2] 陳意瑤.基于ARM9的加速度計信號檢測系統設計[D]:[碩士學位論文].上海:上海交通大學，2007.

[3] 張建華.微弱光電信號檢測系統[J].光電子技術，2002，6（2）:87-89.

[4] 楊昌金，王濤.精密低功耗儀表放大器INA118及其應用[J].國外電子元器件，2006（6）:14-15.

[5] 陳是知，姜蕊輝.TMS320F2812原理與開發實踐[M].北京:中國電力出版社，2010.

[6] 李瑞.基于 TMS320F2812的數據處理系統的設計與實現[D]:[碩士學位論文].北京:北京交通大學，2009.

[7] 郭濤，張英祥，陳峰.基于TMS320F2812的數據采集監測系統設計[J].機械工程與自動化，2002（1）: 7-11.

[8] 尹熙鵬，段哲民.基于DSP的PWM型開關電源的設計[J].自動化與儀器儀表，2005（4）:30-32.