CN1862430A - 基于dsp控制卡的六自由度实时主动振动控制系统 - Google Patents

Abstract

基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，包括：基座、六自由度减振平台、电荷放大器和低通滤波器、功率放大器、信号调理电路和DSP控制卡，六个加速度传感器检测来自干扰源传递到减振平台的6路误差信号，这6路误差信号分别通过6路电荷放大器和6路低通滤波器，以及干扰源的扰动信号共7路信号进入DSP控制卡；DSP控制卡控制两个A/D转换器采集这7路信号，再通过其控制算法进行实时分析和控制计算，将待控制的6路数字量输出到两个D/A转换器，D/A转换的数字信号经过6路功率放大器放大之后，提供给六根超磁致伸缩作动器，使作动器产生相应的伸长或收缩，通过六个加速度传感器检测，低通滤波器反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，实现六自由度实时主动振动控制。本发明具有快速、实时和高精度控制的优点，有效地提高了系统的抗干扰能力。

Description

基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于六自由度振动控制系统，特别是一种基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，用于对微幅高精度主动振动控制。

背景技术

在工业领域中的一些精密仪器上，控制系统对基座稳定的要求十分高，比如半导体加工、精密光学仪器加工等，对基座振动的水平要求平动以微米计，转动以微弧度计。在对基座的振动输入和基座平台的响应进行实时测量、实时测试的基础上，通过计算机提供的控制算法，和超磁致伸缩作动器使其在基座低频微幅振动的环境中保持稳定状态。现有的控制系统多由工业控制机、A/D和D/A卡组成，体积庞大，抗干扰能力差，且不具有实时、快速控制功能。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种快速、实时和高精度控制，而且有效地提高了系统的抗干扰能力的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统。

本发明的技术解决方案：基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特点在于包括：基座、六自由度减振平台、电荷放大器和低通滤波器、功率放大器、信号调理电路和DSP控制卡，六自由度减振平台位于基座上，六自由度减振平台中的六个加速度传感器检测来自干扰源传递到减振平台的6路误差信号，这6路误差信号分别通过6路电荷放大器和6路低通滤波器，以及干扰源的扰动信号经过低通滤波器后，共7路信号进入DSP控制卡；DSP控制卡控制两个A/D转换器采集这7路信号，再通过DSP控制卡的控制算法进行实时分析和控制计算，将待控制的6路数字量输出到两个D/A转换器，变换成6路模拟量输出到后置6路低通滤波器中，变换成平滑的模拟量输出，这6路模拟量经过6路功率放大器放大之后，提供给六根超磁致伸缩作动器，使作动器产生相应的伸长或收缩，平台的上平面保持相对稳定，再通过六个加速度传感器检测，进而再通过低通滤波器反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，从而实现六自由度实时主动振动控制。

所述的DSP控制卡包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换电路、逻辑时序控制电路、异步串口RS232转换电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换电路，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器相接，用于A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

所述的DSP控制卡包括核心板电路和扩展板电路，核心板的插针与扩展板的插座相接，使二者成为一体：核心板电路包括DSP电路、电源管理电路，DSP电路分别与核心板电源管理电路、同步动态随机存储器和快擦写存储器相接；扩展板电路包括两个A/D转换器、两个D/A转换器、逻辑时序控制CPLD电路、异步串口RS232电平转换电路和扩展板电源管理电路，核心板电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；通过核心板和扩展板之间的插针和插座，A/D转换器，与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器相接，用于A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

本发明与现有技术相比的优点在于：采用基于DSP控制卡，六自由度减振平台在微幅(微米级)、低频(10～100Hz)下的减振功能得以实现；而且减小了主控设备的体积，提高了系统的抗干扰能力，工作稳定；实验证明减振效果达到95％以上。另外，采用基于DSP控制卡，使硬件电路数字化、集成化，输入电压范围可切换成在±5V或±10V，实现了高性能的DSP控制卡电路。此外，本发明的DSP还可以采用层叠式结构，即DSP电路和其他电路不在同一电路板上，具有互换性强的特点，可以根据实际控制需要，只更换核心板或扩展板而不必全部更换电路板即可，特别易于维护。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的DSP控制卡电路结构框图；

图3为本发明的DSP控制卡工作程序流程图；

图4为本发明的CPLD逻辑、时序控制电路的框图；

图5为本发明的DSP芯片通过CPLD控制A/D转换器、总线发送接收器的逻辑时序控制图；

图6为本发明的DSP芯片通过CPLD控制D/A转换器、总线发送接收器的逻辑时序控制图；

图7为本发明的电源管理电路框图；

图8为本发明的异步串口RS232转换电路原理图；

图9为普通自适应滤波器LMS原理框图；

图10为本发明的LMS控制原理图；

图11为本发明的LMS控制算法流程图；

图12、图13为本发明的控制效果图，其中图12是控制过程中A/D采集的六个误差信号，图13是控制过程中D/A输出的六个控制输出量。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：基座、六自由度减振平台、电荷放大器和低通滤波器、功率放大器、信号调理电路和DSP控制卡，六自由度减振平台位于基座上，六自由度减振平台中的六个加速度传感器检测来自干扰源传递到减振平台的6路误差信号，这6路误差信号分别通过6路电荷放大器和6路低通滤波器，以及干扰源的扰动信号经过低通滤波器后，共7路信号进入DSP控制卡；DSP控制卡控制两个A/D转换器采集这7路信号，再通过DSP控制卡的控制算法进行实时分析和控制计算，将待控制的6路数字量输出到两个D/A转换器，变换成6路模拟量输出到后置6路低通滤波器中，变换成平滑的模拟量输出，这6路模拟量经过6路功率放大器放大之后，提供给六根超磁致伸缩作动器，使作动器产生相应的伸长或收缩，平台的上平面保持相对稳定，通过六个加速度传感器检测后通过低通滤波器反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，从而实现六自由度实时主动振动控制。

如图2所示，所述的DSP控制卡包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换电路、逻辑时序控制电路、异步串口RS232转换电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换电路，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器相接，用于A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

此外，本发明的DSP控制卡还可以采用层叠式结构，即DSP电路和其他电路不在同一电路板上，它主要包括核心板电路和扩展板电路，核心板的插针与扩展板的插座相接，使二者成为一体：核心板电路包括DSP电路、电源管理电路，DSP电路分别与核心板电源管理电路、同步动态随机存储器和快擦写存储器相接；扩展板电路包括两个A/D转换器、两个D/A转换器、逻辑时序控制CPLD电路、异步串口RS232电平转换电路和扩展板电源管理电路，核心板电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；通过核心板和扩展板之间的插针和插座，A/D转换器，与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器相接，用于A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

如图3所示，DSP控制卡的工作程序流程：(1)DSP控制卡加电；(2)引导程序加载(把引导程序从Flash ROM中复制到内存的0地址处)；(3)DSP芯片初始化配置，红、绿指示灯闪亮；(4)等待上位计算机通过串口通信修改参数。红、绿指示灯亮；(5)是否接收到参数修改的控制字：若接收到，进行下一步，若没有接收到，返回到(4)；(6)使能定时器中断。绿色指示灯灭，红色指示灯常亮。开始用LMS算法进行控制；(7)是否接收到非正常退出的命令字：若接收到，返回到(4)，若没有接收到，进行下一步；(8)中断到来，运行LMS算法：A/D采样，数据处理，发送数据到D/A；(9)处理所得的数据与相关的条件相比较：若条件符合，进行下一步，控制完成，若条件不符合，返回到(7)；(10)关闭定时器中断。红、绿指示灯亮；(11)保存数据：通过异步串口通信，将A/D采样所得数据和处理后发送到D/A的数据传送到上位计算机；(12)红、绿指示灯交替闪亮，系统控制过程完成。

本发明的DSP电路包括DSP芯片、同步动态随机存储器SDRAM、快擦写存储器Flash ROM及时钟电路，同步动态随机存储器用作存储数据，快擦写存储器用作存储启动程序。DSP芯片使用的型号是美国TI公司的TMS320C6000系列，具有超长指令字结构；同步动态随机存储器SDRAM采用4Banks×4M×16bits的HY57V561620CT或HY57V561620CLT或HY57V561620CTP或HY57V561620CLTP系列；快擦写存储器Flash ROM采用512K×16bits的MBM29LV800TE或MBM29LV800BE系列。本发明的DSP控制卡技术指标为：DSP芯片工作频率：160MHz；采样频率：1000Hz；输入电压范围：±5V；输出电压范围：±10V；异步串口波特率：115200bps；最大电流：0.5A。

本发明中的A/D转换器需要两个AD1和AD2，每个A/D转换器为分辨率12位、四通道同时转换、并行数据输出，其型号可以为AD7864AS。D/A转换电路也需要两个DA1和DA2，每个D/A的分辨率为12位、四通道电压输出、并行数据输入，其芯片型号可以为DAC8412；总线发送接受器，用于不同器件的电平匹配，而且可以控制总线传送数据的方向，其型号可以为74LV16245系列；逻辑时序控制电路采用复杂可编程逻辑器件CPLD芯片，其型号可以为XC9500XL系列，DSP芯片与A/D转换器数据管脚和D/A转换器数据管脚并行对应连接，通过复杂可编程逻辑器件CPLD对A/D转换器、D/A转换器和总线发送接受器进行使能、转换、读写控制等逻辑时序控制，如图4所示。

如图5所示，DSP芯片通过复杂可编程逻辑器件CPLD控制两个A/D转换器和总线发送接受器的逻辑时序控制过程如下：AD1和AD2的CONVST由高-低-高电平，表示DSP芯片通知AD1和AD2即将开始转换。AD1和AD2在CONVST稳定为高电平时，开始采集数据(两个AD同时采集，所以实际的时间只是一个AD的转换时间)，并完成模拟量到数字量的转换。转换完成后，AD1的CS由高变低，AD1的RD经过四个——高-低-高电平，在RD(AD1)为低电平期间，OE(16245)为低电平，转换好的数据量数据出现在数据总线上(总线方向是从AD1到DSP芯片)，此时DSP芯片可以顺次读取这四个数据，然后CS(AD1)、RD(AD1)和OE(16245)变高电平。对于AD2，也是同样道理，只是读取三个数据。一共读取七个数据。一次AD转换完成。CONVST、CS和RD均为低电平有效。

如图6所示，DSP芯片通过CPLD控制两个D/A转换器和总线发送接受器的逻辑时序控制如下：由于每次DA都是输出一个通道(程序会判断哪个DA的哪一个通道输出)，所以就以其中一个DA加以说明。DA的RESET由高-低-高电平，使DA1和DA2的四个输出通道输出电压为零，这只在程序开始和控制完成后，才要用到，程序运行期间，不对它进行操作。LDAC和CS由高-低电平，DA开始新的模拟量输出。此时R/W变低电平，在此之前，A0和A1要选定哪个DA通道输出。在R/W为低电平期间，DSP芯片通过数据总线把待输出的数字量写道DA的转换寄存器中。之后，R/W、CS和LDAC依次变高电平。一次DA转换输出完成。LDAC、CS和R/W均为低电平有效。

如图7所示，本发明的DSP控制卡外部供电电源为+5V，此+5V电源经过电源插座后，直接为A/D转换器件提供+5V电源；使用定电压隔离稳压模块电源NR5D15将+5V转换成±15V，为D/A转换器和D/A转换器的电压参考器件提供±15V电源；使用LDO线性稳压器件LM 1086将+5V转换成+3.3V，为CPLD和总线发送接受器提供+3.3V电源；使用LDO线性稳压器件TPS62046将+5V转换成+3.3V，为DSP芯片、同步动态随机存储器和快擦写存储器提供+3.3V电源；使用LDO线性稳压器件TPS62040将+5V转换成+1.2V，为DSP芯片+1.2V电源。

如图8所示，本发明的异步串口RS232转换电路原理图。DSP芯片进行串口通信时是使用它的多通道缓冲串口McBSP，是一种同步串行接口，不支持通用异步收发器(UART)标准。然而，通过软件设置，只要简单改动DSP芯片上的串行寄存器，可以实现DSP芯片与上位计算机的异步串行通信。具体连接方式如图所示，它的McBSP的数据输入DR和帧同步输入FSR都与UART的发送数据线Tx相连，UART的接收数据线Rx要与McBSP的数据输出线DX相连。

如图9所示，自适应滤波器LMS原理框图，说明：延迟单元个数(N)称为滤波器的抽头，每个延迟单元用单位延迟算子z^-1表示。特别的，当对x(k)进行z^-1运算时，其结果输出是x(k-1)。w_i(k)是抽头权值，i＝0，1，...，N-1。k指某一时刻，则

输入向量为 $X\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(k\right)\\ x(k-1)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x(k-N+1)\end{array}\right],$ 权向量为 $W\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}{w}_0\left(k\right)\\ w_1\left(k\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ w_{N-1}\left(k\right)\end{array}\right]$

其中X(k)指时间序列x(k)，x(k-1)，...，x(k-N+1)为元素组成的向量，权向量W(k)指抽头权值w₀(k)，w₁(k)，...，w_N-1(k)组成的向量。

如图10所示，为本发明的LMS控制原理图，AD采集的是x(k)(为扰动)和e0(k)、e1(k)、e2(k)、e3(k)、e4(k)和e5(k)(为误差)，共七个AD输入通道，DA输出的f0(k)、f1(k)、f2(k)、f3(k)、f4(k)和f5(k)(为控制输出量)，共六个DA输出通道。图10应用六个自适应滤波器LMS算法实现系统辨识功能的原理框图。同样，也是由于不知道整个系统和作动器的具体控制模型，所以采用六个LMS算法对六个作动器在线建模，并对被控系统进行控制。通常的多输入多输出系统一般存在输入输出耦合现象，即：e0(k)、e1(k)、e2(k)、e3(k)、e4(k)、e5(k)与f0(k)、f1(k)、f2(k)、f3(k)、f4(k)、f5(k)不是一一对应的关系，像f0(k)可能与e0(k)、e1(k)、e2(k)、e3(k)、e4(k)、e5(k)都存在输入输出关系，本发明解决了这一问题，把系统的输入输出解耦了，使e0(k)、e1(k)、e2(k)、e3(k)、e4(k)、e5(k)与f0(k)、f1(k)、f2(k)、f3(k)、f4(k)、f5(k)建立了一一对应的关系。这样，本发明就可以采用六个单输入单输出的控制方法进行控制，体现在控制方法的流程上，就是六个LMS控制算法分别、独立地对相应的作动器进行控制。

如图11所示，本发明的加入判断采样中断LMS控制算法的流程图，具体的单输入单输出LMS控制算法如下：具体的六输入六输出LMS控制算法的基本流程与单输入单输出相似，只不过在1ms内，DSP控制卡要完成六个单输入单输出的计算，具体的六输入六输出LMS控制算法如下：

如图12、13所示，为本发明的控制效果图像。前1000个采样时间(1ms)对隔振平台未施加LMS控制算法，用来对比施加LMS控制算法前后的效果。其中图12是A/D采集的误差信号e0(k)、e1(k)、e2(k)、e3(k)、e4(k)和e5(k)，依次与图中的第1、2、3、4、5和6通道的误差信号图像对应；图13是D/A输出的控制输出量f0(k)、f1(k)、f2(k)、f3(k)、f4(k)和f5(k)，依次与图中的第1、2、3、4、5和6通道的控制信号图像对应。从第1001采样时间开始，同一个采样时间间隔，对应的误差信号e_i(k)和控制输出信号f_i(k)是在同一个采样周期内完成(i＝0，1，...，5)，共采样8000次，实际控制时间是7s。由图12可以看出，施加LMS控制算法和未施加LMS控制算法的效果很明显。

Claims (10)

1、基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于包括：基座、六自由度减振平台、电荷放大器和低通滤波器、功率放大器、信号调理电路和DSP控制卡，六自由度减振平台位于基座上，六自由度减振平台中的六个加速度传感器检测来自干扰源传递到减振平台的6路误差信号，这6路误差信号分别通过6路电荷放大器和6路低通滤波器，以及干扰源的扰动信号经过低通滤波器后，共7路信号进入DSP控制卡；DSP控制卡控制两个A/D转换器采集这7路信号，再通过DSP控制卡的控制算法进行实时分析和控制计算，将待控制的6路数字量输出到两个D/A转换器，变换成6路模拟量输出到后置6路低通滤波器中，变换成平滑的模拟量输出，这6路模拟量经过6路功率放大器放大之后，提供给六根超磁致伸缩作动器，使作动器产生相应的伸长或收缩，平台的上平面保持相对稳定，再通过六个加速度传感器检测，进而再通过低通滤波器反馈到DSP控制卡中，如此反复进行，从而实现六自由度实时主动振动控制。

2、根据权利要求1所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP控制卡包括DSP电路、电源管理电路、A/D转换器、D/A转换电路、逻辑时序控制电路、异步串口RS232转换电路，电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；A/D转换器，它与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换电路，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器相接，用于A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

3、根据权利要求1所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP控制卡包括核心板电路和扩展板电路，核心板的插针与扩展板的插座相接，使二者成为一体：核心板电路包括DSP电路、电源管理电路，DSP电路分别与核心板电源管理电路、同步动态随机存储器和快擦写存储器相接；扩展板电路包括两个A/D转换器、两个D/A转换器、逻辑时序控制CPLD电路、异步串口RS232电平转换电路和扩展板电源管理电路，核心板电源管理电路为DSP电路提供稳定的供电电路，使DSP电路能够正常工作；通过核心板和扩展板之间的插针和插座，A/D转换器，与DSP电路相接，将输入的模拟信号转换成数字信号；D/A转换器，与DSP电路相接，将数字信号转换成模拟信号；逻辑时序控制CPLD电路分别与DSP电路、A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器相接，用于A/D转换器、D/A转换器和总线发送接收器的逻辑时序控制；异步串口RS232电平转换电路分别与DSP电路和上位计算机相接，用于将数据传至上位计算机。

4、根据权利要求1所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP电路包括DSP芯片、同步动态随机存储器SDRAM、快擦写存储器Flash ROM及时钟电路，同步动态随机存储器用作存储数据，快擦写存储器用作存储启动程序。

5、根据权利要求2或3所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的DSP芯片为美国TI公司的TMS320C6000系列，具有超长指令字结构。

6、根据权利要求2或3所述的、基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的同步动态随机存储器型号是4Banks×4M×16bits的HY57V561620CT或HY57V561620CLT或HY57V561620CTP或HY57V561620CLTP系列，快擦写存储器型号是512K×16bits的MBM29LV800TE或MBM29LV800BE系列。

7、根据权利要求2或3所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的A/D转换器是分辨率12位、四通道同时转换、并行数据输出。

8、根据权利要求2或3所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的D/A转换器是分辨率12位、四通道电压输出、并行数据输入。

9、根据权利要求2或3所述的、基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的逻辑时序控制电路采用CPLD芯片XC9500XL系列实现。

10、根据权利要求1所述的基于DSP控制卡的六自由度实时主动振动控制系统，其特征在于：所述的控制算法为LMS算法。

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