智能結構振動主動控制實驗研究

丁高林，鄭 賓，于 博，鄭桂隆

（中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

智能結構是指在基本結構中使用壓電材料作為傳感和驅動元件的新型結構，具有集傳感和驅動于一體的優越特性。本設計中智能結構振動主動控制系統主要由以下幾部分組成：結構材料，傳感器壓電陶瓷PZT，驅動器壓電聚合物PVDF和控制系統。

1 實驗模型及實驗系統建立

圖1 智能梁結構圖

根據壓電智能梁的力學模型及傳感/驅動器位置優化理論，采用壓電陶瓷PZT-5作為驅動器分別與1 mm、2 mm厚的鋼等截面梁形成智能單元，采用應變片作為傳感器，建立智能梁振動主動控制實驗模型，如圖1所示。

2 系統組成及工作原理

整個壓電智能結構振動主動控制系統的組成如圖2所示。其基本工作原理如下：振動控制對象結構上按一定規則粘貼或者嵌入有一定數量的壓電片，其中一部分作為傳感器。控制對象振動時，壓電片等將各被測點的振動信號轉換成電荷信號，電荷放大器則將電荷信號轉換為反映振動大小的電壓信號，經信號調理后，進入多路A/D轉換器，轉換成適于DSP處理的數字信號，DSP根據相應的控制方法進行快速處理，得到的控制信號經D/A轉換器轉換為模擬電壓信號，經濾波及功率放大器后驅動壓電片進結構的振動主動控制，經A/D采樣的數據通過TMS320F2812 CAN模塊與上位機進行通信對采集的數據進行實時顯示。

圖2 振動主動控制系統的組成

3 控制系統

在圖2虛線框所示的基于DSP的控制單元中，選用了TI公司的高性能32位數字信號處理器TMS320F2812，其內部時鐘最高達150 MHz時，指令周期僅為6.67 ns，其片上還集成有多路A/D模塊。這些都為實現復雜的振動控制算法提供了良好的條件。作為驅動部分的D/A模塊則采用BURR—BROWN公司的DAC7724。在TMS320F2812與DAC7724之間，則采用一片ALTERA公司的EPM240T100C5N芯片來作為兩者之間控制信號的口。

3.1 控制系統的硬件設計

控制系統傳感部分中所采用的電荷放大器的輸出電壓信號經信號調理電路處理后，得到符合TMS320F2812的A/D輸入要求的0～3 V間的電壓信號。

TMS320F2812片內的A/D模塊包括12位ADC核，內置雙采樣保持器，16個通道。在實際應用中，為提高A/D轉換的精度，在電路板制作時，A/D模塊應盡量遠離數字電路，以避免數字脈沖干擾。為了獲得精確的采樣數據對同一通道進行多次采樣，從而實現模擬信號的過采樣，在過采樣模式下可以有效的提高轉換的精度。

控制系統驅動部分所采用的D/A模塊是DAC7724。其為4通道。12位分辨率10V信號量程，建立時間10 μs，15 V供電的低功耗D/A轉換器。它內部有2級鎖存。先將數據鎖存到緩沖器中，然后再鎖存到輸出寄存器，實現多通道同時輸出。

控制系統驅動部分電路圖見圖2，TMS320F2812通過CPLD來實現對DAC7724輸出的控制。DAC7724接入CPLD作為被控制信號的有4個引腳：A1，AO，CS，LDAC。A1，AO主要用于區分4個D/A通道，對應關系如下A1A0=00：通道A；A1A0=01：通道B；A1A0=10：通道C；A1A0=11：通道D。CS是片選信號，LDAC是加載DAC輸入數據，均為低電平有效。

圖3 控制系統驅動部分電路

如圖3所示TMS320F2812的12根數據線D0-D11與DAC7724的12根數據線直接相連，2根地址線A0、A1與DAC7724的A0、A1，低地址線A0、A1編碼來選擇DAC7724的4個輸出通道。根據TMS320F2812的存儲器映像，XZCX0AND1（低電平有效）對應著外部存儲器0x002000-0x005FFF 16K×16的存儲區內，通過對A7、A8、A9、A10這四根地址線的譯碼可將DAC7724的四個輸出通道映射到0x005500-0x005503地址處，由于EPM240T100C5N芯片可以通過VHDL語言編程來選擇譯碼功能，在TMS320F2812向外尋址0x005500-0x005503時，使得DAC7724的片選信號CS（低電平有效）使能，同時使能DAC7724的LDAC（低電平有效）來控制加載數據的輸出。

3.2 系統的軟件設計

控制系統的軟件程序流程圖如圖4所示。 首先程序先進行初始化工作，關中斷，配置中斷矢量表，初始化A/D模塊，配置D/A通道地址，初始化CAN模塊與上位機通信。本設計中采用Q格式，Q格式處理方法是為了提高DSP的運算速度，500 kHz采樣頻率，及時DAC發送，同時采樣數據通過CAN通訊送往上位機進行實時顯示。

A/D中斷服務子程序，主要是對A/D采樣的數據進行算法處理后運算得到結果送往DAC通道對被控對象進行控制。并且通過CAN總線把采集到的數據送到上位機進行實時顯示，起到良好的監控作用。

子程序代碼如下：

interrupt void ad(void)

{

PieCtrl.PIEACK.all = 2;

Ad_data0= AdcRegs.RESULT0;

if(tongdao ＞= 0)

{

if(tongdao ＜= 3) /* 通道范圍 */

{

tongdao_flag[0]= 1; /* 通道標志 */

// xishu = Ad_data*2048/10+2048;//0.003ms 處 理一個點//538

xishu2=Ad_data0*2048;

xishu3=_IQ21mpyI32(xishu1,xishu2);

xishu=_IQ21int(xishu3)+2048;

*DA_PORT0 = xishu;

// da_run();

*DA_OUT = 0;

}

}

}

圖4 控制系統軟件主程序流程圖

4 系統模型硬件電路搭建與仿真

為了驗證系統方案可行性，需要搭建硬件電路進行驗證，準備設備有信號發生器、兩通道以上的示波器、2812開發板、SEED-510PLUS仿真器、±15 V電源、導線若干。硬件電路搭好后，信號發生器輸出信號設置1 kHz、Vp-p（1V）、偏移（0.5 V）的正弦波信號，這樣信號的電壓值在（0～1 V）之間變化符合2812的A/D電壓輸入范圍，信號發生器與2812的一路A/D相連后也要連上示波器一邊觀察波形，2812的一路D/A連接另一路示波器通道，待各設備通電后，運行2812的程序可以觀察示波器兩路波形，如圖5所示。

圖5 兩路信號波形

如圖5所示結果A/D采集的數據對應示波器2號通道藍色波形，D/A輸出通道對應示波器3號通道紅色波形，通過兩路波形的比較可以看出A/D采集的數據通過算法處理后可以及時通過D/A發出去，且失真小，達到了我們所期望的良好的實時數據采集、觀測與控制的作用。

[1]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]譚浩強.C程序設計[M].2版.北京:清華大學出版社,1999.

[3]王海榮,徐志偉.用于振動主動控制的DSP系統設計與實現[J].微計算機信息,2008(28).

[4]蘇奎峰,呂強,常天慶,張永秀.TMS320X281xDSP原理及C程序開發[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[5]顧衛鋼.手把手教你學DSP——基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[6]王小華,陳慶偉,胡維禮.懸臂梁的振動抑制研究[J].南京理工大學學報,2002(26):17-22.

[7]林娜.壓電智能結構用于振動主動控制技術的研究[D].西安:西北工業大學,2006:25-30.

[8]習博,方彥軍.基于ARM的嵌入式電能在線監測裝置的設計[J].儀表技術與傳感器,2007(2):47-49.