基于ms320c31的致動(dòng)器位移閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ms320c31的致動(dòng)器位移閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1磁致伸致動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)超磁致膨脹致動(dòng)器是利用稀土-鐵磁致動(dòng)劑具有較大的磁致膨脹性和高能量密度的新型致動(dòng)器。它廣泛用于精密加工中位移的定位、集成電路板的制造等微位移控制領(lǐng)域。目前對超磁致伸縮致動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究大都集中在器件或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制模型及開環(huán)測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等方面,而沒有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)位移的自動(dòng)控制的研究。文獻(xiàn)提出了基于材料工作原理的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)進(jìn)行了器件及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),并進(jìn)行了開環(huán)輸入電流與輸出位移實(shí)驗(yàn);文獻(xiàn)進(jìn)行了微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究,也僅限于開環(huán)電流與位移實(shí)驗(yàn)。但是致動(dòng)器在精密控制領(lǐng)域的實(shí)際使用需要其高的位移控制精度,并能實(shí)現(xiàn)被控位移量的自動(dòng)控制。文中基于實(shí)現(xiàn)被控量的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)的思想,為磁致伸縮致動(dòng)器設(shè)計(jì)出了合適的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了位移量的自動(dòng)測量。2超磁致伸縮致動(dòng)器及傳遞函數(shù)模型超磁致伸縮材料是一種新型的功能材料,它有應(yīng)變量大、響應(yīng)速度快和輸出力大等特點(diǎn)。利用這些特點(diǎn)可以研制新型的致動(dòng)器。圖1是超磁致伸縮致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理為:驅(qū)動(dòng)線圈通上電流,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場。改變驅(qū)動(dòng)電流的大小,從而改變驅(qū)動(dòng)磁場的大小,進(jìn)而磁致伸縮棒的長度發(fā)生變化,即可推動(dòng)頂桿移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)位移輸出,使電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。超磁致伸縮致動(dòng)器(giantmagnetostrictiveactuator,GMA)的建模原理可由圖2表示。設(shè)N、ls分別為激勵(lì)線圈的匝數(shù)、長度;U、I為輸入電壓、電流;設(shè)lr、r、Ar、ρ、CD分別為磁致伸縮棒的長度、半徑、橫截面積、質(zhì)量密度、內(nèi)部阻尼系數(shù),Kr、Cr、Mr分別為GMM棒的等效剛度系數(shù)、等效阻尼系數(shù)、等效質(zhì)量;設(shè)Kl、Cl、Ml分別為負(fù)載(包括彈簧、頂桿、質(zhì)量負(fù)載)的等效剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、質(zhì)量。GMA的輸出位移和輸入電流的傳遞函數(shù)為:G(s)=xΙ(s)=A/(Μl+Μr)s2+(Cl+Cr)/(Μl+Μr)s+(Κl+Κr)/(Μl+Μr)(1)G(s)=xI(s)=A/(Ml+Mr)s2+(Cl+Cr)/(Ml+Mr)s+(Kl+Kr)/(Ml+Mr)(1)式中:A=d33ArΝSΗlr?Κr=ArSΗlr?Μr=ρlrAr?Cr=CDArlr。式(1)中的各參數(shù)值為:Kl=2×106N/m,Cl=1×103Ns/m;Ml=0.5kg;Μ=62×10-3kg?Ar=78.5×10-6m2?SΗ=1.3×10-11m2/Ν?CD=3×106Νs/m2?d33=?λ?Η|σ=1×10-8m/A;Lr=85×10-3m,N=1200。得到GMA的傳遞函數(shù)為:G(s)=1518s2+6712s+1.3×108(2)3致動(dòng)器管理系統(tǒng)的硬軟件3.1tms320c33通過程序引導(dǎo)功能提供了救濟(jì)電路致動(dòng)器控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器輸出位移的自動(dòng)進(jìn)給,同時(shí)具有可控性好,可控精度高,穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。故該控制系統(tǒng)采用閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。控制系統(tǒng)以TMS320C31芯片為核心,構(gòu)成了一個(gè)DSP控制板。TMS320C31是浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器,其指令及數(shù)據(jù)字長32bits,地址寬度24bits,指令周期為60ns,并具有可用的寄存器組、程序高速緩存、專用的輔助寄存器運(yùn)算單元和內(nèi)部雙存取存儲(chǔ)器;并在C30的基礎(chǔ)上增加了程序引導(dǎo)功能,其程序引導(dǎo)功能使TMS320C31方便的將那些存儲(chǔ)單元和慢速的EPROM或其他標(biāo)準(zhǔn)器件中的程序裝載到快速的片內(nèi)RAM來運(yùn)行,這樣可以在基本不降低運(yùn)行性能的條件下減少芯片,壓縮體積,降低成本。板上配置128KBRAM(由2片CY7C1021-15組成),它是16位64K的快速靜態(tài)RAM,其存儲(chǔ)速度為15ns,與TMS320C31連接時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零等待。配置一片64KBEPROM(27512),采用NMOS工藝,訪問速度450ns。人機(jī)接口采用鍵盤數(shù)碼管形式,用8279芯片來實(shí)現(xiàn)它們和CPU的連接。由于CPU需要訪問存儲(chǔ)器、AD、8279等外圍芯片,所以需要譯碼器進(jìn)行訪問控制和地址譯碼,這里采用74F138實(shí)現(xiàn)。通常TMS320C31的時(shí)鐘頻率為33MHz,指令周期為60ns,因此運(yùn)行速度很快。外圍器件的運(yùn)行速度必須滿足CPU的定時(shí)要求。對于與任何全速零等待狀態(tài)器件的接口,從地址穩(wěn)定到數(shù)據(jù)有效,CPU允許35ns的讀訪問時(shí)間,74F138從地址線輸入到片選信號(hào)輸出的延時(shí)小于10ns,有余量的滿足了CPU的定時(shí)要求。數(shù)控恒流源是12位數(shù)字控制的電流源,它和與CPU相關(guān)的硬件電路要進(jìn)行電氣隔離,因此采用了一系列光耦芯片及其相關(guān)的電路來實(shí)現(xiàn)隔離。高精度電容式位移傳感器用于檢測致動(dòng)器的輸出位移,并以電壓信號(hào)作為輸出。AD轉(zhuǎn)換器(AD1674)把這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)送往TMS320C31進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。3.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)時(shí)域的控制實(shí)現(xiàn)TMS320C31的軟件包括EPROM引導(dǎo)程序和系統(tǒng)軟件兩個(gè)部分。其中,EPROM引導(dǎo)程序作用是將系統(tǒng)軟件從低速EPROM搬移到高速RAM中。它一般包括以下的信息:外部存儲(chǔ)器的寬度、程序代碼塊的長度、裝入的目的起始地址、存儲(chǔ)器訪問的定時(shí)控制等。系統(tǒng)軟件由3部分組成:主程序、鍵盤中斷服務(wù)程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序。主程序完成系統(tǒng)的初始化,包括CPU主總線控制器的初始化、8279的初始化等。完成系統(tǒng)的初始化后,TMS320C31就等待鍵盤中斷,有按鍵按下以后,就進(jìn)入鍵值中斷服務(wù)程序,在這個(gè)程序中,完成系統(tǒng)的參數(shù)輸入、工作方式設(shè)定等工作,設(shè)定完畢后鎖定鍵盤,等待定時(shí)器中斷。定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要完成采樣數(shù)據(jù)、算法處理、結(jié)果輸出等工作。其中數(shù)據(jù)處理包含數(shù)據(jù)標(biāo)定、濾波、算法處理等子程序。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中,控制算法是關(guān)鍵,基于建模和仿真結(jié)果,采用PID算法可以改善系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。按ZN法整定PID參數(shù)為KP=9.5×106/m,Ti=45ms,Td=2ms,Ts=2ms。將參數(shù)代入離散化后的PID算子中,則有:u(k)=u(k-1)+Κp{e(k)-e(k-1)+ΤΤie(k)+ΤdΤ[e((k)-2e(k-1)+e(k-2)]}(3)式中:Ts為采樣周期?？捎脜R編或C語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)位移控制。計(jì)算時(shí)刻k的輸出值為u(k)時(shí),只需要計(jì)算采樣時(shí)刻k的偏差值e(k)以及前兩次的偏差值e(k-1)、e(k-2)和前一次的輸出值u(k-1),這樣可以節(jié)省內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。4pid的控制實(shí)驗(yàn)利用調(diào)試成功的DSP控制板和致動(dòng)器及數(shù)控恒流源,可以測量致動(dòng)器的輸入電流與輸出位移之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分,即開環(huán)實(shí)驗(yàn)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。開環(huán)實(shí)驗(yàn)不加控制算法直接輸入位移,然后測試輸出位移,同時(shí)測試實(shí)際電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a)所示。在最佳工作范圍內(nèi),采用PID閉環(huán)控制進(jìn)行輸入位移量和輸出位移的調(diào)節(jié),使輸入位移和輸出位移趨于一致。當(dāng)輸入位移為20μm時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。PID的控制效果體現(xiàn)在超調(diào)量σ、上升時(shí)間tr、調(diào)節(jié)時(shí)間ts1(2%誤差帶的穩(wěn)定時(shí)間)和調(diào)節(jié)時(shí)間ts2(達(dá)到40nm穩(wěn)態(tài)誤差的時(shí)間)上:當(dāng)輸入位移r=20μm時(shí),σ≈30.76%,tr≈65ms,ts1≈300ms,ts2≈500ms;可見,當(dāng)輸入位移為20μm時(shí),經(jīng)過500ms,輸出位移值為20μm±40nm,誤差為40nm。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,基于TMS320C31的致動(dòng)器閉環(huán)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng),精度高等特點(diǎn),通過對PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定、編寫PID控制算法軟件,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的微位移閉環(huán)自動(dòng)控制。目前PID控制存在的問題是超調(diào)量大,調(diào)節(jié)時(shí)間長。原因主要是位移的性能易受到溫度和外界工作條件的影響,因此后續(xù)的工作是進(jìn)