基于DSP的道路模擬振動臺控制系統(tǒng)設(shè)計

陳良

摘 要：針對電液振動臺各個伺服閥相位一致性較差問題，設(shè)計了外置式伺服閥控制器。針對道路模擬振動臺的實驗要求，設(shè)計了控制系統(tǒng)的整體方案。為了提高控制系統(tǒng)的實時性和快速性，在硬件方面，采用了DSP TMS320C2812采集振動臺反饋的模擬量和數(shù)字量，利用DSP320C6713處理算法并且與嵌入式處理器S3C2410進行通訊，從而完成道路模擬振動臺的控制系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：道路模擬振動臺;控制系統(tǒng);設(shè)計;DSP快速原型

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

汽車可靠性試驗一般可以分為實際使用道路試驗、認證場試驗和實驗室試驗[1]。實際使用道路試驗是在實際使用工況下考驗汽車的可靠性。這種情況最能反映實際情況，在這種意義上來說，實際使用道路試驗是最理想的[2]。電液道路模擬振動臺是進行汽車零部件室內(nèi)道路模擬試驗的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過道路模擬振動臺可以在室內(nèi)再現(xiàn)路面隨機振動環(huán)境，完成零部件在路面激勵作用下的可靠性及性能考核等試驗[3]。目前國內(nèi)各汽車廠家的道路模擬試驗設(shè)備基本上為進口設(shè)備，由于這些設(shè)備存在著測試數(shù)據(jù)存儲和共享不方便、無法利用外部數(shù)據(jù)分析軟件、難以擴展、接口難等缺點[4]，為此我們研制了基于DSP快速原型的軟硬件控制系統(tǒng)來解決這一問題。

但是國內(nèi)的振動臺液壓伺服控制系統(tǒng)采用基于ISA總線或PXI總線的控制器，數(shù)據(jù)處理能力及實時交互性都存在著極大的弊端。而美國SD公司Jaguar多軸振動控制器采用多DSP處理器協(xié)同的工作方案，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力;MTS伺服控制器的結(jié)構(gòu)與SD公司Jaguar控制器的結(jié)構(gòu)基本相同，由DSP控制器完成數(shù)據(jù)采集后，在浮點DSP處理器上實現(xiàn)控制算法;Pulsar伺服控制器采用目前運算速度極快的DSP TMS320C6711為核心的中央信號處理器，通過光纖通訊獲得節(jié)點控制器采集到的現(xiàn)場各種傳感器的數(shù)據(jù)，進行控制計算和數(shù)據(jù)處理。

如果把振動臺的實時控制系統(tǒng)完全搭建在一個DSP上，該DSP不僅要完成復(fù)雜的算法，還要完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、外擴各種接口并且還要完成人機交互的工作，必然會降低控制系統(tǒng)的實時性。由于振動臺對實時性要求較高，考慮采用多DSP的控制系統(tǒng)，將算法實現(xiàn)部分與數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機構(gòu)的控制、人機交互部分分開，從而充分利用DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力。

1 電液振動臺的工作原理及其控制策略

1.1 電液振動臺工作原理

圖1所示是液壓振動臺控制系統(tǒng)框圖，液壓振動臺主要包括：①作動器，由油缸、活塞桿、工作臺面和位移傳感器組成;②伺服閥，是將微小電信號轉(zhuǎn)換為大功率液壓作動的核心部件;③液壓源，液壓源是向作動器提供流體動力的裝置;④控制裝置，由用戶指令（發(fā)出各種信號源）、功率放大器以及調(diào)制解調(diào)器。該控制系統(tǒng)的原理為：功率放大器將來自用戶輸入的信號和來自伺服閥、作動器的位移傳感器（該系統(tǒng)采用LVDT傳感器）的信號進行分析比較，產(chǎn)生一個偏差信號并將其進行放大，然后將其輸入給伺服閥的力馬達，力馬達產(chǎn)生一個與該偏差信號大小成比例的力，該力作用在一級滑閥上并使滑閥產(chǎn)生與此力成比例的位移。與一級滑閥輸出位移成比例的液壓油流體作用在二級滑閥兩端，使二級滑閥的運動速度與力矩馬達的輸入電流成比例，裝在主閥芯的LVDT向伺服放大器提供位移反饋信號，組成閉環(huán)控制。

1.2 振動臺外置閥控器的研制

振動臺出現(xiàn)的高頻使各個液壓缸一致性較差。它所使用的閥控器是內(nèi)置MOOG792高響應(yīng)三級伺服閥，由于內(nèi)置閥控制器的控制參數(shù)不可調(diào)，使得伺服閥在60 Hz～80 Hz頻率范圍內(nèi)工作時，各個伺服閥之間的一致性，特別是相位的一致性較差，從而導(dǎo)致振動臺本身的主要技術(shù)指標(biāo)（如橫向比、均勻度等）在頻率較高的范圍內(nèi)比較差。因此，本文設(shè)計外置式伺服閥控制器解決該問題。伺服閥控制器原理如圖2所示，主要包括：

（1）信號的輸入和前饋控制器：將計算機輸出的±10 mA電流形式指令信號轉(zhuǎn)換為±10 V電壓信號，再經(jīng)前饋控制器調(diào)整后，輸出閥控器的指令信號。其中，前饋為一階前饋控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)整前饋控制器拐點頻率進一步提高伺服閥的頻寬。

（2）位置閉環(huán)：伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的±10 V信號后，作為伺服閥的位置閉環(huán)控制的反饋信號，與指令信號做差。

（3）速度反饋控制器和比例控制器：速度反饋控制器是閥控器的重要組成部分，通過調(diào)節(jié)速度反饋增益和比例控制器增益可以大大提高伺服閥的頻寬。

（4）伺服閥驅(qū)動：經(jīng)上述控制器調(diào)整后，產(chǎn)生伺服閥驅(qū)動信號，經(jīng)伺服驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為±40 mA的功率驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服閥動作。此外，為了消除摩擦力等非線性因素的影響，在伺服驅(qū)動信號中加入了高頻抖振信號，其頻率和幅值可調(diào)。

（5）閥芯位移輸出：伺服閥閥芯位移信號經(jīng)過調(diào)理后形成標(biāo)準(zhǔn)的±10 V信號后，一方面作為伺服閥的位置閉環(huán)控制，另一方面經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)換后輸出給計算機，用于實時監(jiān)測。

1.3 電液振動臺控制策略

圖3所示為六自由度振動臺系統(tǒng)，采用自由度控制方法并輔以壓力鎮(zhèn)定控制器才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。六自由度液壓振動臺系統(tǒng)的給定姿態(tài)為6個指令（3個平動位置，3個轉(zhuǎn)動姿態(tài)），將給定位姿與反饋位姿的6個偏差經(jīng)自由度分解矩陣轉(zhuǎn)換為8個激振器的驅(qū)動信號，分別驅(qū)動各激振器運動。其中反饋位姿由單系統(tǒng)位置和加速度反饋信號經(jīng)自由度合成矩陣運算求取。由于受控自由度數(shù)為6，而平臺有8個激振器，整個系統(tǒng)是靜不定的，運動過程中將產(chǎn)生很大內(nèi)力，因而需采用壓力鎮(zhèn)定控制器削弱系統(tǒng)內(nèi)力。壓力鎮(zhèn)定控制器的實現(xiàn)方法是取各激振器的壓差為反饋量，按照一定運算規(guī)則計算各激振器的內(nèi)力，再將每個激振器的內(nèi)力值取反后按一定比例加到各自的控制回路中，達到減小系統(tǒng)內(nèi)力的目的。由于振動臺的控制系統(tǒng)為電液位置伺服系統(tǒng)，其頻寬較低且阻尼較小，為實現(xiàn)加速度控制和提高系統(tǒng)頻寬與穩(wěn)定性，采用基于極點配置的三狀態(tài)控制策略。同時，由于被試件具有偏心和高度，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩和傾覆力矩是造成各激振器運動不同步的主要原因，為消除這種影響而引入瞬態(tài)力解耦控制策略。為了消除自由度間的耦合運動而引入了幾何解耦控制策略。

2 道路模擬振動臺控制系統(tǒng)設(shè)計

道路模擬及試驗系統(tǒng)用來完全或局部模擬整車道路行駛時的振動環(huán)境，對駕駛室總成、車架總成進行試驗。設(shè)計的道路模擬振動臺控制系統(tǒng)具有如下功能：

（1）對整車及車架、駕駛室等總成進行耐久性試驗：利用道路模擬振動臺試驗系統(tǒng)模擬車輛在預(yù)定路面、預(yù)定形式條件下的振動環(huán)境，在實驗室進行耐久性試驗。

（2） 對車架、駕駛室等總成進行動態(tài)響應(yīng)試驗：利用道路模擬振動臺試驗系統(tǒng)模擬車輛在預(yù)定路面、預(yù)定形式條件下的振動環(huán)境，在實驗室進行車架、駕駛室總成等的動態(tài)響應(yīng)（加速度和速度）的測試。

（3）懸架系統(tǒng)（單輪）試驗：利用特定的裝備可以進行懸架系統(tǒng)（單輪）動態(tài)特性試驗、疲勞試驗等。

根據(jù)以上要求及振動臺的控制策略，將從總體方案、硬件和軟件進行設(shè)計。在總體方案的基礎(chǔ)上，硬件方面采用多DSP嵌入式控制器，軟件采用快速原型控制系統(tǒng)。

2.1 道路模擬振動臺控制系統(tǒng)總體設(shè)計

圖4所示為道路模擬振動臺控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，主要包括：

2.1.1 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)預(yù)載作動器的數(shù)字閉環(huán)控制，系統(tǒng)狀態(tài)顯示、液壓源的遠程自動控制。它包括3個部分：①監(jiān)控單元：通過快速以太網(wǎng)與振動控制系統(tǒng)及伺服控制單元通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信號的輸入輸出;通過RS-485串行通訊與PLC液壓油源現(xiàn)場控制單元通訊，實現(xiàn)液壓源的管理與遠程的自動控制。此外，監(jiān)控單元與系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、記錄和輸出，伺服控制單元的操作與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。②伺服控制單元：預(yù)載作動器的數(shù)字閉環(huán)控制。③PLC液壓油源現(xiàn)場控制單元。

2.1.2 振動控制系統(tǒng)

振動控制系統(tǒng)為nCODE、nSoft等效分析軟件和SD的JAGUAR多軸隨機振動控制系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)精確的道路復(fù)現(xiàn)控制和道路譜的強化處理。它包括了3部分：SUN150圖形工作站及振動控制軟件;SD ACP多通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集單元;數(shù)據(jù)采集及處理軟件。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由動態(tài)數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)解碼存儲系統(tǒng)構(gòu)成，主要實現(xiàn)對48路應(yīng)變信號和32路加速度傳感器信號采集和顯示。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖5所示，振動臺控制系統(tǒng)利用DSP TMS320C2812進行數(shù)據(jù)的采集，DSP TMS320C6713進行算法處理與通訊，嵌入式處理器S3C2410與上位機Labview進行數(shù)據(jù)傳輸。該控制系統(tǒng)需要完成3個CPU之間的數(shù)據(jù)交換，選擇了雙口RAM來完成數(shù)據(jù)與信息交換，雙口RAM是一種雙端口器件，允許2個處理器同時訪問一個端口，每個處理器都可以將雙口RAM看作自己的本地存儲器。雙口RAM的每個端口都有各自的數(shù)據(jù)、地址和控制線，允許處理器對存儲器的任何地址執(zhí)行隨機讀寫操作。這樣，既保證了實時數(shù)據(jù)采集和運算，又保持了兩者之間的數(shù)據(jù)同步。振動臺的位置反饋信號、加速度反饋信號、單缸壓力信號、壓力反饋信號和振動控制系統(tǒng)的輸出量經(jīng)相關(guān)傳感器采集后，利用變送器輸入到控制器中，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換成3.3 V后進入A/D采集芯片ADG438F。DSP TMS320C2812將采集的振動臺反饋信號存放在雙口RAM1中，以供DSP TMS320C6713存取;而TMS320C6713將運算處理后的數(shù)據(jù)與信息也存放在雙口RAM中，以供TMS320C2812存取，作為D/A輸出控制振動臺的運動。同時，TMS320C6713也將運算處理后的數(shù)據(jù)與信息也存放在雙口RAM2中，以供S3C2410存取，與上位機Labview利用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。同時，操作人員通過上位機Labview給出振動臺的指令信號，經(jīng)S3C2410存放在雙口RAM2中，以供TMS320C6713存取。

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)采用基于ISA總線或PXI總線的控制器，其數(shù)據(jù)處理能力及實時交互性方面存在弊端這一問題，參照美國SD公司Jaguar多軸振動控制器的設(shè)計思想，在硬件上采用多CPU的工作模式，既提高了數(shù)據(jù)處理能力，也保證了實時交互的可靠性。同時，在數(shù)據(jù)處理速度和實時性方面有了很大的提高。

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