基于ms320c31的致動器位移閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

基于ms320c31的致動器位移閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

1磁致伸致動器和驅動系統(tǒng)超磁致膨脹致動器是利用稀土-鐵磁致動劑具有較大的磁致膨脹性和高能量密度的新型致動器。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域。目前對超磁致伸縮致動器和驅動系統(tǒng)的研究大都集中在器件或系統(tǒng)的結構設計、控制模型及開環(huán)測試系統(tǒng)的實現等方面,而沒有實現閉環(huán)系統(tǒng)位移的自動控制的研究。文獻提出了基于材料工作原理的驅動器設計方法;文獻進行了器件及實驗系統(tǒng)設計,并進行了開環(huán)輸入電流與輸出位移實驗;文獻進行了微位移驅動系統(tǒng)的研究,也僅限于開環(huán)電流與位移實驗。但是致動器在精密控制領域的實際使用需要其高的位移控制精度,并能實現被控位移量的自動控制。文中基于實現被控量的自動控制和調節(jié)的思想,為磁致伸縮致動器設計出了合適的控制系統(tǒng),實現了位移量的自動測量。2超磁致伸縮致動器及傳遞函數模型超磁致伸縮材料是一種新型的功能材料,它有應變量大、響應速度快和輸出力大等特點。利用這些特點可以研制新型的致動器。圖1是超磁致伸縮致動器的結構示意圖。其工作原理為:驅動線圈通上電流,產生驅動磁場。改變驅動電流的大小,從而改變驅動磁場的大小,進而磁致伸縮棒的長度發(fā)生變化,即可推動頂桿移動,從而實現位移輸出,使電磁能轉變?yōu)闄C械能。超磁致伸縮致動器(giantmagnetostrictiveactuator,GMA)的建模原理可由圖2表示。設N、ls分別為激勵線圈的匝數、長度;U、I為輸入電壓、電流;設lr、r、Ar、ρ、CD分別為磁致伸縮棒的長度、半徑、橫截面積、質量密度、內部阻尼系數,Kr、Cr、Mr分別為GMM棒的等效剛度系數、等效阻尼系數、等效質量;設Kl、Cl、Ml分別為負載(包括彈簧、頂桿、質量負載)的等效剛度系數、阻尼系數、質量。GMA的輸出位移和輸入電流的傳遞函數為: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的傳遞函數為:G(s)=1518s2+6712s+1.3×108(2)3致動器管理系統(tǒng)的硬軟件3.1tms320c33通過程序引導功能提供了救濟電路致動器控制系統(tǒng)要求實現致動器輸出位移的自動進給,同時具有可控性好,可控精度高,穩(wěn)定性好的特點。故該控制系統(tǒng)采用閉環(huán)數字控制系統(tǒng),結構框圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)以TMS320C31芯片為核心,構成了一個DSP控制板。TMS320C31是浮點型數字信號處理器,其指令及數據字長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算單元和內部雙存取存儲器;并在C30的基礎上增加了程序引導功能,其程序引導功能使TMS320C31方便的將那些存儲單元和慢速的EPROM或其他標準器件中的程序裝載到快速的片內RAM來運行,這樣可以在基本不降低運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,其存儲速度為15ns,與TMS320C31連接時可以實現零等待。配置一片64KBEPROM(27512),采用NMOS工藝,訪問速度450ns。人機接口采用鍵盤數碼管形式,用8279芯片來實現它們和CPU的連接。由于CPU需要訪問存儲器、AD、8279等外圍芯片,所以需要譯碼器進行訪問控制和地址譯碼,這里采用74F138實現。通常TMS320C31的時鐘頻率為33MHz,指令周期為60ns,因此運行速度很快。外圍器件的運行速度必須滿足CPU的定時要求。對于與任何全速零等待狀態(tài)器件的接口,從地址穩(wěn)定到數據有效,CPU允許35ns的讀訪問時間,74F138從地址線輸入到片選信號輸出的延時小于10ns,有余量的滿足了CPU的定時要求。數控恒流源是12位數字控制的電流源,它和與CPU相關的硬件電路要進行電氣隔離,因此采用了一系列光耦芯片及其相關的電路來實現隔離。高精度電容式位移傳感器用于檢測致動器的輸出位移,并以電壓信號作為輸出。AD轉換器(AD1674)把這個電壓信號轉換成二進制數送往TMS320C31進行數據處理和顯示。3.2實時數據與實時時域的控制實現TMS320C31的軟件包括EPROM引導程序和系統(tǒng)軟件兩個部分。其中,EPROM引導程序作用是將系統(tǒng)軟件從低速EPROM搬移到高速RAM中。它一般包括以下的信息:外部存儲器的寬度、程序代碼塊的長度、裝入的目的起始地址、存儲器訪問的定時控制等。系統(tǒng)軟件由3部分組成:主程序、鍵盤中斷服務程序和定時器中斷服務程序。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,就進入鍵值中斷服務程序,在這個程序中,完成系統(tǒng)的參數輸入、工作方式設定等工作,設定完畢后鎖定鍵盤,等待定時器中斷。定時器中斷服務程序主要完成采樣數據、算法處理、結果輸出等工作。其中數據處理包含數據標定、濾波、算法處理等子程序。在定時器中斷服務程序中,控制算法是關鍵,基于建模和仿真結果,采用PID算法可以改善系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能。按ZN法整定PID參數為KP=9.5×106/m,Ti=45ms,Td=2ms,Ts=2ms。將參數代入離散化后的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語言編寫程序實現閉環(huán)位移控制。計算時刻k的輸出值為u(k)時,只需要計算采樣時刻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)省內存和計算時間。4pid的控制實驗利用調試成功的DSP控制板和致動器及數控恒流源,可以測量致動器的輸入電流與輸出位移之間的關系。實驗分為兩個部分,即開環(huán)實驗和閉環(huán)實驗。開環(huán)實驗不加控制算法直接輸入位移,然后測試輸出位移,同時測試實際電流。實驗結果如圖4(a)所示。在最佳工作范圍內,采用PID閉環(huán)控制進行輸入位移量和輸出位移的調節(jié),使輸入位移和輸出位移趨于一致。當輸入位移為20μm時,實驗結果如圖5所示。PID的控制效果體現在超調量σ、上升時間tr、調節(jié)時間ts1(2%誤差帶的穩(wěn)定時間)和調節(jié)時間ts2(達到40nm穩(wěn)態(tài)誤差的時間)上:當輸入位移r=20μm時,σ≈30.76%,tr≈65ms,ts1≈300ms,ts2≈500ms;可見,當輸入位移為20μm時,經過500ms,輸出位移值為20μm±40nm,誤差為40nm。從實驗結果可以看出,基于TMS320C31的致動器閉環(huán)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、抗干擾性強,精度高等特點,通過對PID控制器參數進行整定、編寫PID控制算法軟件,實現了系統(tǒng)的微位移閉環(huán)自動控制。目前PID控制存在的問題是超調量大,調節(jié)時間長。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