引言
近年來，隨著微／納米技術的蓬勃發(fā)展,，加工,、測量都要求一個穩(wěn)定的環(huán)境，以提高加工,、測量精度,。然而振動干擾無處不在，室外交通,、室內(nèi)人員走動,、機械設備運轉(zhuǎn)等均可能造成振動干擾。大地產(chǎn)生的振動頻率約為0．1～10 Hz,，實驗室人員走動所產(chǎn)生的振動頻率約為1～3Hz,，一般建筑物的振動頻率約在10～100 Hz之間。而且這些振動都很難徹底消除,，所以振動的抑制與隔離就尤為重要,。
振動的抑制與隔離方法有多種，通常將振動隔離技術分為被動隔振技術和主動隔振技術,。音圈電機(Voice Coil Motor,，VCM)是電磁線性電機中的一種，最早用于擴音器,。因其具有結(jié)構簡單,、直接驅(qū)動、維護容易等優(yōu)點,，并具有良好的加速,、減速性能，所以VCM激勵器常用于需要快速,、運動受控的設備等場合,，如DVD中的伺服控制,、硬盤，以及攝像機鏡頭等,。本文選用VCM作為低頻主動隔振系統(tǒng)中主動吸振器的驅(qū)動器,，并給出了軟、硬件設計方法,。
1 系統(tǒng)硬件設計
VCM控制系統(tǒng)硬件電路采用TI公司的TMS320F2812(以下簡稱F2812)作為控制系統(tǒng)核心,。該芯片是一款功能非常強大的32位定點DSP芯片，既具有數(shù)字信號處理能力,，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能,。時鐘頻率為150 MHz，能夠滿足系統(tǒng)實時性要求,。另外,，該芯片還支持96個外部中斷、豐富的外部存儲器接口等,。VCM控制系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示,。
圖1中，電源模塊為系統(tǒng)提供各種規(guī)格的電源需求,；DSP最小系統(tǒng)模塊是控制系統(tǒng)的運算處理核心,；數(shù)據(jù)存儲模塊分別采用IS61LV25616AL和SST39VF800Q擴展了8 MbFlash和4 Mb RlAM；CPLD擴展模塊采用EPM3256A系列的CPLD擴展了人機交互模塊和RS232和USB2．0通信模塊,；加速度傳感器信號采集電路是主動隔振系統(tǒng)的振動干擾檢測模塊,，即控制系統(tǒng)的前向通道；VCM驅(qū)動電路模塊為控制系統(tǒng)的后向通道,。
在主動隔振系統(tǒng)中,，采用的是ICP式加速度傳感器來檢測隔振平臺的振動情況。傳感器的輸出為±5 V的電壓信號,，為了獲得足夠的分辨率和線性度,，選用了ADI公司的24位∑-△ADC轉(zhuǎn)換芯片AD7734。其非線性度不超過±0．0025％,，并具有SPI通信接口,。通過配置AD7734的內(nèi)部寄存器，可以直接采樣加速度傳感器輸出的±5 V信號,。前向通道的電路原理圖如圖2所示,。其中，AD780是一款超高精度帶隙基準電壓源,，可以提供2．5 V輸出,。
VCM驅(qū)動電路原理如圖3所示。VCM是永磁式直線型電機，改變線圈控制電壓的方向和大小,，即可改變VCM的運動方向和定位位置,，且其定位精度與控制信號的分辨精度密切相關。為了獲得較大的驅(qū)動能力,，選用了TI公司的雙全橋PWM電機驅(qū)動芯片DRV8402,。該驅(qū)動芯片可以工作在500 kHz的切換頻率下，操作電壓為12～50 V,，可持續(xù)輸出10 A電流,，峰值電流高達24 A；能100％線性還原輸入的PWM,，對控制精度無損。采用F2812的PWM輸出模塊與DRV8402配合使用,，VCM的控制精度可達16位,。
2 系統(tǒng)軟件設計
為了滿足控制系統(tǒng)的實時性要求，在參考μC／OS-I的基礎上,，結(jié)合F2812的32位硬件定時器Timer 2,，編寫了一種基于時鐘節(jié)拍和消息機制的軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)完全由C語言編寫而成,，對硬件的依賴度小,，可以很方便地移植到其他的硬件平臺上。該軟件系統(tǒng)核心文件的說明如表1所列,。其中,，硬件依賴度分為3個級別(1～3)，數(shù)字越大依賴度越大,。
核心文件之間的包含調(diào)用關系如圖4所示,。其中，math．h為編譯器自帶的頭文件,。
軟件系統(tǒng)的架構可以用圖5所示的3個流程來表示,。圖5(a)是主程序流程，即該軟件系統(tǒng)的前臺操作流程,。在主程序的大循環(huán)(while(1){,；})中，系統(tǒng)會不斷地從消息隊列中取消息,，判斷消息類型,，然后根據(jù)消息類型和消息值執(zhí)行相應操作。圖5(b)是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的中斷服務函數(shù)流程,。該時鐘節(jié)拍由硬件定時器Timer 2(T2)產(chǎn)生,，節(jié)拍周期可調(diào)，通常為20ms。每個時鐘節(jié)拍周期到了之后,，系統(tǒng)中斷并進人中斷服務函數(shù),，執(zhí)行T2例行程序，這是系統(tǒng)的后臺操作,。圖5(c)是T2例行程序的流程,。進入該例行程序，首先檢查有沒有軟件時鐘,，如果有則調(diào)用軟件時鐘服務函數(shù),，然后執(zhí)行系統(tǒng)例行程序。如果沒有,，則直接調(diào)用系統(tǒng)例行程序,。
軟件時鐘是一種基于系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的定時操作，可以把它理解成鬧鐘,，即每個一定時間都執(zhí)行某一操作,，或僅是單次操作。軟件時鐘對應的操作,，可以送進消息隊列在前臺執(zhí)行,，也可以在中斷中執(zhí)行。但不宜把太多的軟件鬧鐘設為在消息隊列中執(zhí)行,。
消息傳遞機制是該軟件系統(tǒng)前后臺配合的紐帶,。所有后臺操作或外部請求都可以通過消息包的方式送進消息隊列，然后在前臺以取消息,、解消息的方式獲取需要處理的信息,，然后執(zhí)行相應的操作。目前,，消息隊列是FIFO的方式,，不支持優(yōu)先級，在實際應用時一定要保證消息隊列的容量足夠大,。
結(jié)語
經(jīng)過實驗調(diào)試,，基于該VCM控制系統(tǒng)的低頻隔振平臺能有效地動態(tài)抑制外界振動干擾。此外,，基于時鐘節(jié)拍和消息機制的軟件系統(tǒng)被多次移植到其他項目應用上,，均取得了良好的效果。