基于DSP的道路模擬振動臺控制系統設計

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，設計了控制系統的整體方案。為了提高控制系統的實時性和快速性，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設計。

關鍵詞：道路模擬振動臺;控制系統;設計;DSP快速原型

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：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道路模擬試驗的關鍵設備之一，通過道路模擬振動臺可以在室內再現路面隨機振動環境，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]。目前國內各汽車廠家的道路模擬試驗設備基本上為進口設備，由于這些設備存在著測試數據存儲和共享不方便、無法利用外部數據分析軟件、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來解決這一問題。

但是國內的振動臺液壓伺服控制系統采用基于ISA總線或PXI總線的控制器，數據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處理器協同的工作方案，實現了高速數據采集和復雜數據處理能力;MTS伺服控制器的結構與SD公司Jaguar控制器的結構基本相同，由DSP控制器完成數據采集后，在浮點DSP處理器上實現控制算法;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點控制器采集到的現場各種傳感器的數據，進行控制計算和數據處理。

如果把振動臺的實時控制系統完全搭建在一個DSP上，該DSP不僅要完成復雜的算法，還要完成控制系統的數據采集、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，將算法實現部分與數據采集、執行機構的控制、人機交互部分分開，從而充分利用DSP的快速數據處理能力。

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（發出各種信號源）、功率放大器以及調制解調器。該控制系統的原理為：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（該系統采用LVDT傳感器）的信號進行分析比較，產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，組成閉環控制。

1.2 振動臺外置閥控器的研制

振動臺出現的高頻使各個液壓缸一致性較差。它所使用的閥控器是內置MOOG792高響應三級伺服閥，由于內置閥控制器的控制參數不可調，使得伺服閥在60 Hz～80 Hz頻率范圍內工作時，各個伺服閥之間的一致性，特別是相位的一致性較差，從而導致振動臺本身的主要技術指標（如橫向比、均勻度等）在頻率較高的范圍內比較差。因此，本文設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換為±10 V電壓信號，再經前饋控制器調整后，輸出閥控器的指令信號。其中，前饋為一階前饋控制環節，通過調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：伺服閥閥芯位移信號經過調理后形成標準的±10 V信號后，作為伺服閥的位置閉環控制的反饋信號，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，通過調節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）伺服閥驅動：經上述控制器調整后，產生伺服閥驅動信號，經伺服驅動器轉換為±40 mA的功率驅動信號，驅動伺服閥動作。此外，為了消除摩擦力等非線性因素的影響，在伺服驅動信號中加入了高頻抖振信號，其頻率和幅值可調。

（5）閥芯位移輸出：伺服閥閥芯位移信號經過調理后形成標準的±10 V信號后，一方面作為伺服閥的位置閉環控制，另一方面經過電壓-電流轉換后輸出給計算機，用于實時監測。

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，采用自由度控制方法并輔以壓力鎮定控制器才能確保系統的穩定運行。六自由度液壓振動臺系統的給定姿態為6個指令（3個平動位置，3個轉動姿態），將給定位姿與反饋位姿的6個偏差經自由度分解矩陣轉換為8個激振器的驅動信號，分別驅動各激振器運動。其中反饋位姿由單系統位置和加速度反饋信號經自由度合成矩陣運算求取。由于受控自由度數為6，而平臺有8個激振器，整個系統是靜不定的，運動過程中將產生很大內力，因而需采用壓力鎮定控制器削弱系統內力。壓力鎮定控制器的實現方法是取各激振器的壓差為反饋量，按照一定運算規則計算各激振器的內力，再將每個激振器的內力值取反后按一定比例加到各自的控制回路中，達到減小系統內力的目的。由于振動臺的控制系統為電液位置伺服系統，其頻寬較低且阻尼較小，為實現加速度控制和提高系統頻寬與穩定性，采用基于極點配置的三狀態控制策略。同時，由于被試件具有偏心和高度，產生回轉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設計

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

（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模擬車輛在預定路面、預定形式條件下的振動環境，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響應試驗：利用道路模擬振動臺試驗系統模擬車輛在預定路面、預定形式條件下的振動環境，在實驗室進行車架、駕駛室總成等的動態響應（加速度和速度）的測試。

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

根據以上要求及振動臺的控制策略，將從總體方案、硬件和軟件進行設計。在總體方案的基礎上，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。

2.1 道路模擬振動臺控制系統總體設計

圖4所示為道路模擬振動臺控制系統的總體結構圖，主要包括：

2.1.1 伺服控制系統

伺服控制系統的主要功能是實現預載作動器的數字閉環控制，系統狀態顯示、液壓源的遠程自動控制。它包括3個部分：①監控單元：通過快速以太網與振動控制系統及伺服控制單元通訊，實現數據交換和信號的輸入輸出;通過RS-485串行通訊與PLC液壓油源現場控制單元通訊，實現液壓源的管理與遠程的自動控制。此外，監控單元與系統的狀態顯示、記錄和輸出，伺服控制單元的操作與工作狀態的轉換。②伺服控制單元：預載作動器的數字閉環控制。③PLC液壓油源現場控制單元。

2.1.2 振動控制系統

振動控制系統為nCODE、nSoft等效分析軟件和SD的JAGUAR多軸隨機振動控制系統，主要功能是實現精確的道路復現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多通道動態數據采集單元;數據采集及處理軟件。

2.1.3 數據采集系統

由動態數據測試系統和數據解碼存儲系統構成，主要實現對48路應變信號和32路加速度傳感器信號采集和顯示。

2.2 控制系統硬件設計

圖5所示，振動臺控制系統利用DSP TMS320C2812進行數據的采集，DSP TMS320C6713進行算法處理與通訊，嵌入式處理器S3C2410與上位機Labview進行數據傳輸。該控制系統需要完成3個CPU之間的數據交換，選擇了雙口RAM來完成數據與信息交換，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據、地址和控制線，允許處理器對存儲器的任何地址執行隨機讀寫操作。這樣，既保證了實時數據采集和運算，又保持了兩者之間的數據同步。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的輸出量經相關傳感器采集后，利用變送器輸入到控制器中，經過I/V轉換成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將運算處理后的數據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據與信息也存放在雙口RAM2中，以供S3C2410存取，與上位機Labview利用以太網進行數據交換。同時，操作人員通過上位機Labview給出振動臺的指令信號，經S3C2410存放在雙口RAM2中，以供TMS320C6713存取。

3 結論

針對傳統采用基于ISA總線或PXI總線的控制器，其數據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計思想，在硬件上采用多CPU的工作模式，既提高了數據處理能力，也保證了實時交互的可靠性。同時，在數據處理速度和實時性方面有了很大的提高。

參考文獻：

[1]陳修祥，馬履中.六軸振動半主動控制裝置設計與仿真[J].農業機械學報，2008，52（04）：137-141.

[2]魏巍，楊志東，韓俊偉.超冗余液壓振動臺的模態空間解耦控制[J].哈爾濱工業大學學報，2015，47（01）：48-53.

[3]劉成.電液伺服道路模擬試驗隨機波形再現的時域控制[D].武漢理工大學，2002.

[4]趙慧，張尚盈，韓俊偉.道路模擬振動臺的控制策略及關鍵技術[J].流體傳動與控制，2008，6（02）：14-17.