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浙江工业大学硕士学位论文 基于d s p 的高频电液激振平台的控制器研究 摘要 电液激振台的实际运行精度很大的程度取决于控制系统的控制精度，随着振动试验 对于工作频率，输出精度要求的提高，对振动的控制系统提出了新的要求。为了完成对 2 d 电液伺服阀双自由度的控制，实现高频激振，将具有快速处理能力以及丰富外围控 制接口的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片运用到高频电液激振台控制系统的构建中。控制器通过对 步进直线电机和同步伺服电机的调控实现对2 d 电液伺服阀阀芯开口的精确定位和对阀 芯转速的控制，同时实现与上位机的通信。通过数字滤波对采集信号进行处理，提高控 制精度，并通过控制算法实现在非线性失真下的跟踪控制与补偿，通过程序设定防止电 机失步和速度突变。实验结果表明，控制系统稳定可靠，能随着阀芯轴旋转运动和轴向 滑动分别实现激振频率和幅值的控制。在控制器的控制下，电液激振台的激振频率达到 了2 9 5 0 h z ，输出力在低频段最大值达到了3 0 0 k n ，符合设计初衷。 本文的主要工作包括： 第一章，结合国内外文献对本文的研究内容进行了综述，对电液激振台控制器的发 展境况以及d s p 在电液激振控制器上的应用价值进行了介绍，从而阐述了本文的研究 意义。 第二章，本章首先分析了高频激振器的工作原理从而得到控制器的控制方案，接着 分析了交流伺服电机和步进直线电机的控制模型，对控制器的控制原理进行了进一步细 化研究。 笫j 章，阐述了整个控制系统的硬件构成，对d s p 的电源模块、a i d 模块、通信 模块，直线电机控制模块等各个模块的设计进行了详细的介绍。 第四章，介绍了控制器的软件设计流程。首先简述了软件的丌发环境，并分析了交 流伺服电机以及步进直线电机的控制软件总体流程。接着对各个功能的软件实现进行了 较为详细的阐述，并介绍了跟踪控制和非线性控制等控制算法的软件实现。 第五章，本章首先对控制器频率与幅值控制实验的实验设备进行了介绍。然后对实 验原理和实验采集的波形进行了分析。将理论值和实际测得的数据进行比较分析，从而 得到控制器的实际控制精度。 第六章，对论文所做的研究工作进行了总结，并对控制器下一步的改进工作做了展 颦。 摘要 关键宇：d s p ，电液激振台，控制器，交流伺服电机，步进直线电机 i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho f h i g h - f r e q u e n c y e l e c t r o - i m r a u l i c b r a t i o ns y s t e m c o n t r o l l e rb a s e do nd s p a b s t r a c t t oal a r g ee x t e n t ，t h er e a lp r e c i s i o no ft h eh i g h - f r e q u e n c ye l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o n s y s t e md e p e n d so nt h ea c c u r a c y o ft h ec o n t r o ls y s t e mp r e c i s i o n i tp r o p o s e dn e w r e q u i r e m e n t st ot h ev i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w i t ht h ei m p r o v er e q u i r e m e n t so ft h eo p e r a t i n g f r e q u e n c ya n d t h eo u t p u tp r e c i s i o no ft h ev i b r a t i o nt e s t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so ft h et w o - d i m e n s i o n a lc o n t r o lv a l v e sc o m m o nc o n t r o l o fd o u b l ed e g r e e so ff r e e d o m ，r e a l i z i n gh i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o n ，t h eh i g h f r e q u e n c y e l e c t r o - h y d r a u l i cv i b r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 812w h i c hh a sf a s tp r o c e s s i n g p o w e ra n da b u n d a n tp e r i p h e r a lc o n t r o li n t e r f a c ew a si n v e s t i g a t e d t h es y s t e mc a nc o n t r o lt h e v a l v es p o o l sp o s i t i o na n ds p e e da c c u r a t e l yt h r o u g ht h ec o n t r o lo ft h el i n e a rs t e p p e rm o t o r a n dt h es e r v o m o t o r , w h i l ea c h i e v i n gt h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m p u t e r p r o c e s st h e a c q u i r e ds i g n a lw i t hd i g i t a lf i l t e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h ec o n t r 0 1 u s et h ec o n t r o l a l g o r i t h mt op r e v e n tt h em o t o r o u to f s t e pa n dt oe l i m i n a t et h es p e e dm u t a t i o n si nt h ec a s eo f n o n l i n e a rd i s t o r t i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o ni si l l u s t r a t e di nd e t a i l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mw o r k ss t a b l y ；t h er o t a r ya n ds l i d i n gm o t i o n sa r e i n d e p e n d e n t l ye x p l o i t e dt oc o n t r o lt h ef r e q u e n c ya n dt h em a g n i t u d eo ft h ea g i t a t e dv i b r a t i o n r e s p e c t i v e l y t h eh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o n sf r e q u e n c yr e a c h e s2 9 5 0 h za n d t h eo u t p u tp o w e rr e a c h e s3 0 0 k ni nt h ec a s eo fl o wf r e q u e n c y , i tc o n f o r m st o d e s i g n r e q u i r e m e n t s t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，as u m m a r yo fs o m er e l e v a n ti n f o r m a t i o nb a s e do nt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r ei sm a d e t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o ns y s t e m c o n t r o l l e ra n dt h ev a l u et h a ti n t r o d u c et h ed s pt ot h ee l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o nc o n t r o l l e ri s i n t r o d u c e d t h em e a n i n g ，p u r p o s ea n dt h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r eg i v e n i nc h a p t e rt w o ，t h ec o n t r o l l e r sc o n t r o lp r o g r a mi sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r e i l l a b s i 。r a c i a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o n t h e nt h ec o n t r o l m o d e lo fa cs e r v om o t o ra n dl i n e a rs t e p p e rm o t o ri sa n a l y z e d ；t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ft h e c o n t r o l l e ri sf u r t h e rr e f i n e dr e s e a r c h i nc h a p t e rt h r e e ，n l ec o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r el i k et h ep o w e ro ft h ed s p m o d u l e t h el i n e a rm o t o rc o n t r o lm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h e dm o d u l ea n d o t h e rm o d u l e so ft h ed e s i g ni sd e s c r i b e di nd e t a i l i nc h a p t e rf o u r , t h es o f t w a r ed e s i g np r o c e s so ft h ec o n t r o l l e ri sd e s c r i b e d f i r s t l y , t h e s o f t w a r ee n v i r o n m e n ta n dt h es o f t w a r eo v e r a l lp r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e m sf o rt h ea c s e r v om o t o ra n dt h el i n e a rs t e p p e rm o t o ri sa n a l y z e d t h e n ，e a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo ft h e s o f t w a r e ，l i k et h es o f t w a r ef o rt h et r a c k i n gc o n t r o l a n dn o n l i n e a rc o n t r o la l g o r i t h mi s d e s c r i b e di nd e t a i l i nc h a p t e rf i v e ，t h el a b o r a t o r ye q u i p m e n to ft h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d ec o n t r o l e x p e r i m e n t si si n t r o d u c e d ，w h i l et h ee x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e sa n dt h ew a v e f o n na c q u i s i t i o n a r ea n a l y z e d c o m p a r et h et h e o r e t i c a lv a l u ea n da c t u a lm e a s u r e dd a t at og e tt h ec o n t r o l l e r s a c t u a lc o n t r o lp r e c i s i o n i nc h a p t e rs i x ，as u m m a r ya n dap r o s p e c to ft h i st h e s i sa r ep u tf o r w a r da st h ec o n c l u s i o n s ， w h i l et h ef o l l o w - u pp r o s p e c t so ft h ec o n t r o l l e ri sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：d s p , e l e c t r o h y d r a u l i cv i b r a t i o n ，c o n t r o l l e r , a c s e r v om o t o r , l i n e a rs t e p p e r m o t o r i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪 1 1引言 振动实验是现代工程领域中一项基本的实验，部件只有进行了振动试验才能确定他 们的力学性能，判断产品的优劣。它广泛应用于许多重要的工程领域，如判断各部件及 整机的动力强度；工程材料高频疲劳试验；汽车、行走机械的道路模拟试验；用于武器 装备性能、可靠性、临战状态的考核与验收；火箭、卫星、导弹的试验；模拟飞机飞行 的振动环境：水坝、高层建筑等大型工程项目的抗震试验等【m 】。如今随着工业设备及 军事设备对于可靠性的要求愈来愈高，对振动环境的研究分析及实验的重要的意义日益 显现【3 。5 1 。由于受激振频率限制，通常情况下工程中只能选择在液压激振台上完成低频 段振动试验，而把高频段放在电磁振动台上进行试验。如果液压振动台的上限频率能达 到3 0 0 0 h z ，那就可以在液压振动台上完成从低频( 1 0 0 h z 以下) 到高频( 2 0 0 0 h z 以上) 的模 拟振动环境试验。高频激振可以大大缩短振动试验周期，节省大量人力、物力和财力， 因此研究高频电液激振台的研究具有非常重要的现实意义和理论价值。如今，随着科学 技术的发展，电液激振台开始不断向大推力、超高频发展。通过改进伺服阀的频响及振 动控制技术，电液激振在保持大推力输出的同时激振频率有了大幅度的提高【6 】。这同 时也就对电液激振台控制器的快速响应能力提出了要求，也就要求能在控制器能在振动 台高频激振时完成对电液激振台的实时控制。 d s p 是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。它的- t 作原理 是通过将模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行删除、修改、强化等处理，并 在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境的格式。不仅具有可编程性， 并且实时的运行速度可达每秒数以千万条复杂指令，远超通用微处理器，是数字化电子 世界中日渐重要的电脑芯片。它强大的数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的特 囱吲 l o 近几年来，高性能电机控制专用的d s p 处理器芯片将d s p 核处理器芯片以及丰富 的功能外设电路集成在单个芯片上。t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 便是专门针对运动控 第l 孥绪 论 制而开发的高性能控l 巾u 心- h - - 片，它能快速精确得处理信号，实时完成复杂控制算法，具有 精确时f 穴速的p w m 信号输出，能满足高频激振台高精度高频响的控制要求。具有丰富 的片卜资源和多种通信接口，能满足与上位机与多个控制板之间实时数据通讯的需求 t - 【8 9 1 o 1 2 高频电液激振台研究现状 随着国内外的可靠性工作技术不断发展，产品的可靠性彳 断地提高，而人们对系统 的可靠性重视程度也越来越高，因而对其安全性、可靠性和环境适应性试验的要求也随 之不断提高，进而促使考验产品耐振动能力的振动试验技术也得到了进一步发展 1 0 - 1 2 】。 振动试验的目的在于确定所设计的设备在工作过程中能承受外来的或者自身产生的振 动而不被破坏，能正常运转，并达到预期使用寿命。振动试验已经成为产品设计制造过 程中一项必不可少的例行试验 1 0 - 1 1 】。 振动会严藿地影响产品工作的状态，对其结构破坏也有很大的影响，主要表现在紧 固件的松动、带电的元器件问的接触和短路、导线的摩擦、问断的接触点、密封失效、 印刷电路板的折断、光学1 二的失调、构建疲劳及断裂、产生强点噪声等。特别是当振动 频率和固有频率接近时，影响更加剧烈。通过振动试验我们可以及早地发现j 沁品在材料 以及制造工艺上的缺陷，为产品的完善提供依据。 1 2 1高频电液激振台国外研究现状 对电液激振器的研究是一项基础研究，随着科技发展，各国都日益重视高频激振台 的发展，其不仅成为一个重要的学术研究方向，并且已经形成规模和产业。目前电液激 振技术主要被西方发达国家以及日本垄断。 m t s 公司和美国密西根大学为美国空军研制的1 0 0 0 h z 高频疲劳电液振动试验系 统，如图1 1 所示。系统静态加载载荷为2 5 k n ，最大位移为2 5 m m ，通过使用a d a p t r a c t m 系列的幅值和相位控制软件将振动试验频率拓展到1 0 0 0 h z 1 2 - 1 3 。采用m t s 研制的新型 音圈电机伺服阀替代传统的二级伺服阀，大大提高了电液伺服阀的频宽。 t e a m 公司生产的c u b e 系列的六自由度电液式振动台结构十分小巧，台面尺寸为 1 2 m x l 2 m ，频率范围0 2 5 0 h z ，输出力最大为6 2 k n ，垂直方向的最大位移可达1 0 0 m m 。 t e a m 公司除了c u b e 六自由度电液振动台外，还有t e n s o r 和m a n t i s 振动台，其中t e n s o r 2 浙江工业大学硕士学位论文 振动台的振动输出频率可达1 0 0 0 h z t l 4 】，输出力3 0 i c n ，最大位移2 5 m m ，采用无摩擦力 的静压支撑轴承，自由度数量可在1 6 自由度之间进行选择。 美国的t i n i u so l s e n 公司生产的超级“l ”型的高载荷电液振动台，最高载荷高达 3 0 0 0 k n ，采用电液伺服对载荷大小进行控制。t i n i u so l s e n 公司还生产的u 型振动试验 台 1 5 】。最大加载载荷为3 0 0 k n ，载荷测量精度为量程的0 5 ，位移测量精度为量程的 0 0 1 或0 0 1 m m 。 德国的z w i c k r o e l l 公司是世界主要生产动态和静态试验机的厂家之一，其生产的 双轴电液伺服疲劳试验机0 6 - 1 8 】，采用两个相互垂直的支架组成，如图1 2 所示。最大加 载载荷为2 5 0 k n ，最大运动速度为4 0 m m m i n 。z w i c k r o e l l 公司的双轴电液高频疲劳 试验机【1 9 】，主要用于塑料和金属的拉伸试验，最大加载载荷为1 0 k n ，最大运动速度为 1 m m i n 。 图1 - 1m t s 公司的高频疲劳振动试验系统图1 - 2z w i c k r o e l l 公司的电液高频疲劳试验机 1 2 2 国内电液激振台的研究现状 激振器关系到航空航天、军事等高科技领域，对于高频响的激振器各国出于技术保 密或者商业秘密的考虑而实行禁运，进行技术封锁。因此在激振系统的研究和制造卜， 我国与国际先进水平相比存在着较大的差距，主要表现在激振系统的集成设计与制造、 系统响应速度和可靠性、系统工程化和激振系统控制技术等方面。 近年来，我国对于激振系统研究的深度和广度都在不断加大。已经有很多科研单位、 高等院校进行了电液激振台的研究t 作。目前国内外大推力电液式激振台( 推力在5 0 k n 以上) 的上限激振频率已经达到8 0 0 h z 左右。 红山试验机厂生产的p l u 系列的电液伺服振动试验台 2 0 】，可以进行三角波、正弦 第l 带绪论 波、方波、随机等试验波形，最大加绒找荷为3 0 0 0 k n ，试验频率为0 0 1 2 0 h z 。可以 进行电液伺服、力或者位移的闭环控制。 深圳瑞格尔公司生产的电液伺服试验机【2 1 1 ，可以实现零部件的动、静性能试验， 主要用于拉伸、压缩、弯曲、疲劳、裂纹扩张、断裂力学试验等。最大输出载荷大1 0 0 0 k n ， 试验频率范围o 0 1 4 0 h z ，可以进行三角波、正弦波、方波、斜波、组合波等波形的测 试。 济南大学和济南试验机厂在2 0 0 2 年对现有的模拟控制的1 0 k n 电液伺服疲劳试验 系统进行改造，改用计算机对系统进行数字化控制，试验频率范为0 0 1 5 0 h z 。可以 加j 戈载荷和位移进行p i d 闭环控制【2 2 】。 天津大学研制了p w s 1 0 0 a 电液伺服动静万能试验机，开发的预拉应力横梁灾紧 结构、非金属支撑高速作动器、具有拉压对称循环动静态试验能力的液压强迫夹头等多 项技术属围内首创。为其它结构类动态试验机及大型多通道复杂电液试验设备的开发奠 定了良好基础，现已经开发出1 0 k n 1 0 0 0 k n 系列电液伺服动静万能机和单通道和多通 道协调加载试验系统【2 3 1 。 西北工业大学采用多传感器信息融合控制方案为重庆长安公司设计了扭转疲劳试 验微机控制电液伺服系统【2 4 】。北京交通大学采用数字式自控制策略研n - f 数字式的电 液疲劳试验机，可以实现位移和力的闭环控制【2 5 1 。 1 3 高频电液激振器控制器研究现状 振动试验是在振动台上模拟产品实际工作状态下的振动环境，显然，模拟得越切合 实际，越精确，试验得出的结果也越精准 2 6 - 2 7 】。振动台的实际运行精度很大的程度取决 于激振台的控制系统的控制精度，所以随着振动试验的所要求的精度要的提高，对振动 的控制系统提出了新的要求。 振动试验控制系统的研究主要包括自动控制和信号处理两大领域，这两大领域相辅 相成，不断推动振动控制技术的发展。振动试验控制的目的是使被控对象在控制点的响 应与要求的理论值在一定的误差范围内等同，从而在振动台上产生预定的振动波形。很 多情况下，因为各种条件和因素的影响，响应信号在时间上和给定的信号相差甚远，控 制器需要采用控制算法，不断地对信号进行修正，最终使得输出信号在一定误差范围内 与给定值达到均衡状态 2 8 】。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图1 3 典型振动控制系统 典型的振动控制系统主要由振动台、驱动器、振动控制器、传感器以及电荷放大器 等部分组成，图如1 3 所示。振动控制器接收电荷放大器的振动信号，控制器对信号完 成处理，进行特定的控制运算，产生驱动信号来驱动振动台产生预定的振动 2 9 - 3 1 】。通过 以上的过程我们可以看出，振动控制器在整个控制系统中起着关键性作用，它性能的优 劣对整个系统的精度有着巨大的影响。 1 3 1 国外研究概况 自从二次大战中一些军用设备因为振动损坏的现象引起重视后，为了更好地模拟真 实的振动环境，五十年代开始引入振动试验。由于条件的限制，早期的振动台一般都以 正弦扫描振动试验台进行等效随机振动的试验，试验台只能采用闭环模拟技术来对振动 装置进行控制，其原理如图1 _ 4 所示。 图1 4 模拟式止弦扫频控制系统 模拟控制系统主要利用负反馈，使得振动台的控制信号保持在所需的电平，传感器 上感应的信号经过整流，产生直流信号，由压缩器控制独立的正弦信号发生器的幅度， 5 第l 秘绪 论 系统可以自动凋1 了振i 幅、速度及加速度的变化。1 9 6 6 年，只本完成了世界上第一个正 弦波试验台控制系统。 图1 - 5 数字数振动控制系统 随着振动问题研究的不断深入，人们逐渐认识到大量振动都是一种在时序上表现为 随机状态的随机振动，所以随机振动更加符合实际的振动环境。随后各国都开始竞相进 行对随机振动试验相应的设备进行研制，并分别制定了相应的试验标准，如 m i l s t d 一7 8 1 ，m i l s t d 8 1 0 ，i e c 2 x x 等。由于当时采用的是模拟设备，即用“均衡器” 来控制随机过程。控制器的控制精度较差、维修量大，并f i 使用调试r 1 分困难。 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，以及f f t 算法的程序实现，七十年代 以后国外陆续推出了以小型机为核心模块的随机振动控制系统，如图1 5 所示。其巾较 有名的有英国的d v c 5 0 0 系统。但这时的控制系统芯片集成度低、产品的体积大、兼 容性的扩充性差、维修困难。到了8 0 年代，惠普公司开发了有代表性的数字式振动控 制系统h p 5 4 2 7 。到9 0 年代后，在生产振动控制设备的厂商中，美国的s d 公司最有名， 他们研制开发的p u m av c s ( v i b r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 振动控制器是一种多通道的高性 能振动控制设备，它能高速获得数据，高速分析传输信号，具有很强的控制和分析功能。 p u m av c s 提供了数字式的实时闭环振动台控制，它可以完成典型冲击试验、随机试 验、正弦实验、正弦加随机试验，随机加随机试验等等实验 3 2 - 3 5 】。 美国m t s 公司的t e s t s t a r l i 全数字控制器，运算频率可以达到5 0 0 0 h z ，控制特性 在传统的p i d 控制基础上，还具有前馈控制、频率反向补偿控制、幅度控制和压差等 辅助控制特性。因此数字控制器由于其丰富的运算功能，其控制非常灵活，是模拟控制 系统已经无法比拟的。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究概况 我国对于振动控制设备的研究起步较晚，国内目前技术成熟的全数字动态控制器还 没有进入产业化阶段，还需要有一个发展研究的过程。八十年代后，我国才开始对数字 振动控制系统的正式研究。1 9 8 5 年华中理工大学研制了以a p p l e i i 微机作为基础的振 动信号在线分析和监测系统。系统能够实时对振动进行瞬态捕捉，完成存储显示等多种 功能，尽管不能对振动系统进行实时地控制，但是说明我国振动测试开始朝数字式的方 向发展。航空航天6 2 3 研制的s k f 1 和s k f 2 随机振动数字式控制系统也是这个时期 具有代表性的数字式标准振动控制系统 3 6 - 3 8 】。 到了9 0 年代，苏州试验仪器总厂成功研制了数字式标准振动控制器s d v c 和 r d v c 。与此同时，苏州东菱振动仪器有限公司也成功研制了s v c ，r v c 系列的基于 单板机的振动控制器【3 9 1 。 进入2 0 世纪后，国内最具有代表性的控制器是深圳摩信科技有限公司研制的 m o t i o n 运动控制器。这款运动控制器选用了t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 0 0 0 系列的d s p ， 芯片的c p u 运算速度达到1 4 0 m h z 。该款控制器在国产运动控制器中正有一定得市场 份额【4 0 1 。 除此以外较为有代表性的还有：长沙力鼎科技有限公司研制的m c 系列3 轴模拟电 压控制编码器反馈型运动控制器，这时一个可实现4 轴有无反馈脉冲输出型运动控制 器；南京顺康数码科技有限公司研制的m c 6 0 1 4 a 控制器，具有带插补功能，可控制 4 个马达，适用于p c a t 机和具有i s a 总线的控制。另外步进机电有限公司研发的 m p c 0 1 和m p c o z 系列的3 轴步进或数宁式伺服控制运动控制卡也具有较为理想的控 制功能。 但是现在国内的控制系统的一般具有以下的特点： 1 ) 以单板机作为系统的主控机，并负责系统的管理、数据计算、数据传送和实时 控制。 2 ) 以微机为系统的图形显示和数据存储设备，以此来完成人机对话等系统交互。 国产的控制系统存在着运行速度较慢，功能较单一，使用较不方便等缺点。系统的 安伞可靠性、性能指标等都与当前的国际先进水平有相当大的差距。因此国内使用的振 动台控制器基本上都是依赖国外进口，如s d 公司的p u m a 系列、j a g u a r 系列，口 本i m v 公司的r c l1 0 4 系列，l d s 公司( 原d a c t r o n 公司) 的c o m e t 和l a s e r 数 字式振动控制器等，可以这么说国内振动控制器市场已经被国外产品所占领。 7 第1 祭绪沦 1 3 3 发展趋势 随着数字控制理论的日渐成熟以及高速d s p 技术的迅速发展，全数字化电液控制 已经成为今后电液伺服控制系统的方向发展。动态电液伺服全数字测量控制系统不仅要 求硬件具有快速高精度的运算能力，同时还对要求于软件和数字控制理论方面有新的突 破，以满足咆液伺服控制系统快速响应、精确控制、高可椎性稳定性的要求。 近年来，随着人工智能和机器人技术的快速发展，各种一擘家控制系统、智能决策系 统、模糊控制、智能规划、生动视觉控制、学习控制系统、神经控制和i 故障诊断系统等 已经开始被应用于各类的工程控制系统、智能机器人系统及智能化生产系统中。智能控 制采用了各种智能化技术来实现复杂的系统的控制目标，是一种具仃新型的自动控制技 术。从智能控制的发展过程和现已取得的成绩来看，智能控_ f h , j i t ；j 产生发展迎合了当今自 动控制领域甚至于是整个科学技术的发展趋势。智能控制是p _ g 动控制发展道路上的一个 新的里程碑，发展成为一种日臻成熟的控制于段，并在工控领域得到了日益广泛的应用。 此外如今随着智能控制及智能材料技术的发展，利用机敏材料作为传感元件和制动元件 的智能结构振动控制也已经得到了长足的发展【4 1 - 4 2 1 。此类先进的控制技术在不久亦将在 高频电液平台控制领域掀起一场新的技术革命。 1 4 d s p 控制器的发展现状及发展趋势 1 4 1 d s p 的发展历程 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是一门涉及众多学科又具有广泛应用领域 的新兴学科。d s p 发展历程大致可以分为三个阶段：2 0 世纪7 0 年代理论先行，8 0 年 代产品开始普及，9 0 年代迅猛发展。d s p 出来之前，数字信号的处理只能由m p u ( 微 处理器) 来完成，但m p u 较低的处理速度一i 能满足高速实时的要求，d s p 与单片机性 能对比如表1 1 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 表1 1d s p 与单片机性能对比 直到2 0 世纪7 0 年代，才有人提出了d s p 的理论和算法基础，但是那时d s p 仅仅 停留在教科书上，即使是研制出来的d s p 系统也由分立的元件组成的，其应用领域仅 仅局限于军事部门及航空航天部门【4 3 1 。 伴随着大规模集成电路技术的快速发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。该 d s p 芯片采用了微米工艺n m o s 技术，虽然功耗和尺寸依然较大，但是运算速度却比 m p u 快了几十倍，因此其在编码解码器和语音合成中得到了广泛应用。d s p 芯片问世 标志着d s p 应用集成系统开始由大型系统向小型化迈进。随着c m o s 技术的进一步发 展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 应运向牛，芯片的运算速度和存储容量成倍提高， 使得d s p 很快成为了图像硬件处理、语音处理技_ 术的基础】。2 0 世纪8 0 年代后期， 第三代d s p ：卷片面世，运算速度得到进一步大幅提高，其应用范闱也开始逐步扩大到 计算机和通信等领域。 2 0 世纪9 0 年代是d s p 爆发式发展的时间段，第四代和第五代d s p 器件相继m 现， 现在我们使用的d s p 属于第五代广：品，与第四代孝丌比，第五代芯片系统集成度更高， 它将d s p 内核以及外围元件集成在单一的芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不但在 计算机、通信领域大显身手，并且已经逐渐开始渗透到人们的日常消费领域【4 5 l 。经过 9 第l 孥绪沦 2 0 多年的发展，d s p 的应用已经扩大到了人们的学习生活和生活的各个领域，并成为 电子产牖更新换代的决定性因素。目前对于d s p 爆炸性需求寸代已经到来，其应用前 景非常可观【7 1 。 1 4 2d s p 的发展趋势 如今d s p 的功能越来越强，应用越来越广泛，已经达到甚至超过了微控制器的功 能。南丁其极高的性价比，汽车、个人通信装置、家用电器、数码相机、i p 电话和手 持电子设祷以及数以卣万计的工厂开始使用d s p 系统，产品的热销带来了对d s p ：占片 巨人的需求。d s p 在新的发展趋势r ，d s p 需要进一步提高处理速度，完善功能，降 低功耗，减少存储器用量 4 6 - 4 7 】。d s p 技术的发展将会有以下几个方面的趋向： l 、d s p 与微处理器棚融合。 微处理器成木较低，是执行智能定向控制任务的通用处理器。微处理器能很好地完 成笮i i j 皂控制的任务，但其对于数字信号的处理功能非常差，但d s p 的功能与之相反。 在许多应用中都需要兼具数字信号处理与智能控制，所以，可以通过把d s p 和微处理 器相结合，从而用单一的：s 片处理器来同时实现两种功能。d s p 和微处理器的融合将 大大加快研发速度，同时简化了设计过程，减小了p c b 的体积，降低了功耗以及整个 系统的成本【4 8 4 9 1 。 2 、d s p 与高档c p u 棚融合。 大部分的高档g p p ，如p o w e r p c 和p e n t i u m 都采用了s i m d 指令组的超标量结构， 因此运算速度很快。l s il o g i c 公司的l s l 4 0 1 z 采用c p u 的高档动态缓冲技术和分支预 示，其结构规范，有利于编程，不需要担心指令排队，这些特性使得性能大幅度提高。 如今i n t e l 公司开始涉足数字信号处理器领域，这将会加快这种融合的速度。 3 、d s p 与s o c 相融合。 s o c ( s y s t e m - o n c h i p ) 顾名思义是指把一个系统集成到一块芯片上。这个系统包括 了d s p 和各种系统硬件接口和软件从而构成一个完整的系统。例如v i r a t a 公司将l s i l o g i c 公司生产的z s p 4 0 0 处理器内核与系统软件，如u s b 、g p i o 、h d l c 、u a r t 和 以太网等集成在一块芯片上。 4 、d s p 与f p g a 相融合。 f p g a 是现场可编程门阵列器件，将f p g a 与d s p 集成在一块芯片上，可以实现 宽带信号的处理，将大大提高信号的处理速度。例如，x i l i n x 公司的v i r t e x i i 型f p g a 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 对于快速傅立叶变换的处理速度可以提高3 0 倍以上。该芯片中有自由的f p g a 可供于 编程。它支持多路大数据流，同时也极大缩短了开发周期，便于功能的增加或性能的改 善。 5 、更新芯片结构获取更高运算速度。 由于当今电子设备个人化及客户化的趋势，d s p 必须不断追求更快的运算速度， 才能跟上电子设备的更新步伐。d s p 主要依靠新工艺改进芯片结构来提高运算速度。 目前1 1 公司生产的t m s 3 2 0 c 6 x 芯片通过采用v l i w 结构设计，已经将处理速度提升 至2 0 0 0 m i p s t 5 0 - 5 2 1 。 1 4 3d s p 在伺服控制上的应用 一个伺服系统的控制构架，对整体性能具有决定性的影响。一个伺服系统的设计一 般包括了伺服电机与反馈传感器的选型、微处理器及关键的功率组件的选型、相关的软 硬件的设计等。想要整体提升一个伺服驱动控制系统的性能，例如效率、稳定度、功率 因素、功率密度等，就必须要有一个全盘的考虑与均衡的设计【5 3 5 5 1 。 一个先进的电动机驱动与控制系统，通常包含诸如数字式电流控制、磁场向量解耦 控制、自调式解耦控制、空间矢量脉宽调制控制、随机脉宽调至控制、自调式电流控制、 数字式速度反馈控制、数字式位置反馈控制、自调式位置反馈控制等等的控制方式。为 了实现这些控制算法，必须通过发展以高性能的d s p 为核心、以软件控制为导向的智 能型的电动机控制技术来实现【4 5 1 。 目前，伺服系统的数字控制大部分采用了软件与硬件结合的控制方式，其中，软件 控制方式一般由微处理器来实现。基于d s p 的数字控制器和模拟控制器相比，具备以 下优点： 1 、处理器采用哈佛结构或者改进的哈佛结构，数据与程序之间具有相互独立的总 线结构，从而提升了处理器的计算能力。控制芯片具有人量的逻辑判断功能以及充裕的 存储单元，可以完成复杂的控制规律的实现，如优化控制、参数识别、智能控制等现代 化控制理论和算法的运用。 2 、大大减少了电机控制器的硬件设计的工作量，基于d s p 芯片的控制器具有体积 小、重量轻、能耗低的优点。 3 、系统具有很高的可靠性。由于集成芯片的设计使得内部元器件在额定的工作状 态下平均的无故障时间远远超过了分立元件所构成的模拟电路。 1 1 第1 常绪论 4 、数字电路以很没仃温度漂移的问题，因此不会因参数变化而带来影响，使得系 统的抗外界干扰能力大人增强。数字电路内部计算精确度很高，但由于硬件限制字长而 存在一定的量化误差，因此，需要采用适当的定标来避免数据溢出，从而保证计算的精 l f t - 5 6 5 8 1 s x t o 5 、将软件灵活性与硬件统一性有机结合在一起。d s p 电机控制电路的硬件能达到 统一，例如d s p 控制的三相逆变器驱动可以驱动相应的无刷直流电机、感应电机、永 磁同步电机等。软件编写需要根据电机的不同控制舰律来进行设计，根据i 乜机不同t 作 ：i 犬态来选择最合理的参数、控制系统的结构、控制的策略等，使得系统具有极强的灵活 性。 6 、可以完成复杂的数字控制计算，除指令运算、加减乘除、信号反馈和逻辑运算 外，还可实现例如数字滤波、状态估计、监控、故障诊断以及保护功能5 9 - 6 0 。 低成木高性能的数字信号处理器的迅猛发展，极大推动了电动机p w m 控制技术以 及数字电流控制技术的发展。如此的控制方案具有结构简单和灵活性强等优点。控制系 统为了获得较好的带宽特性，产牛p w m 信号和电流环控制，要求系统具有很高的频率， 这样就使得d s p 大部分的工作时间都消耗在了p w m 信号的产生和i 乜流环的控制上， 限制了其他控制环高级算法的实现，影响了整个控制系统的性能。因而为了实现复杂的 控制算法，提高调速系统的性能，在该类系统中通过增力i j 协处理器，来专门完成p w m 信号的产生及电流环的控制算法 6 1 - 6 3 1 。 传统的数字控制系统通常以单片机或者微机来作为处理核心，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 构成的电机控制系统相对于单片机或者微机拥有更高的精度和速度。而且 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 存储量更大，具有逻辑控制功能和各种中断处理能力，包含了丰富的通 信口、数字输入输出口、专用电机控制p w m 口，芯片的各种控制硬件都集成在同一块 j 卷片上，将t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 引入数字控制系统代表了数字控制系统新的发展方向【3 4 1 。 1 5 论文研究的意义及内容 要提高激振台频率需要从激振台执行机构以及控制器硬件两方面做出改进。在本设 计中在执行机构上采用一种新型的具有双自由度的高频激振阀，该阀具有阀：卷旋转和轴 向位移，阀芯的旋转控制整个电液伺服系统的频率，阀芯的位移控制电液伺服系统的幅 值，高频激振阀阀芯周期性的旋转，会导致阀芯沟槽与阀套窗1 2 1 周期性的配合，从而改 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 变进入液压缸压力油的方向，因此，阀芯的转速很大程度决定整个电液伺服系统的频率， 阀芯为细长结构，处在液压油的润滑中，转速很容易提高，由于阀芯为1 6 开口的设计， 、电机与阀芯间传动齿