DSP的VCM低频主动隔振控制系统设计

　　引言

　　近年来，随着微/纳米技术的蓬勃发展，加工、测量都要求一个稳定的环境，以提高加工、测量精度。然而振动干扰无处不在，室外交通、室内人员走动、机械设备运转等均可能造成振动干扰。大地产生的振动频率约为0.1～10 Hz，实验室人员走动所产生的振动频率约为1～3Hz，一般建筑物的振动频率约在10～100 Hz之间。而且这些振动都很难彻底消除，所以振动的抑制与隔离就尤为重要。

　　振动的抑制与隔离方法有多种，通常将振动隔离技术分为被动隔振技术和主动隔振技术。音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是电磁线性电机中的一种，最早用于扩音器。因其具有结构简单、直接驱动、维护容易等优点，并具有良好的加速、减速性能，所以VCM激励器常用于需要快速、运动受控的设备等场合，如DVD中的伺服控制、硬盘，以及摄像机镜头等。本文选用VCM作为低频主动隔振系统中主动吸振器的驱动器，并给出了软、硬件设计方法。

　　1 系统硬件设计

　　VCM控制系统硬件电路采用TI公司的TMS320F2812(以下简称F2812)作为控制系统核心。该芯片是一款功能非常强大的32位定点DSP芯片，既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。时钟频率为150 MHz，能够满足系统实时性要求。另外，该芯片还支持96个外部中断、丰富的外部存储器接口等。VCM控制系统结构框图如图1所示。

　　图1中，电源模块为系统提供各种规格的电源需求;DSP最小系统模块是控制系统的运算处理核心;数据存储模块分别采用IS61LV25616AL和SST39VF800Q扩展了8 MbFlash和4 Mb RlAM;CPLD扩展模块采用EPM3256A系列的CPLD扩展了人机交互模块和RS232和USB2.0通信模块;加速度传感器信号采集电路是主动隔振系统的振动干扰检测模块，即控制系统的前向通道;VCM驱动电路模块为控制系统的后向通道。

　　在主动隔振系统中，采用的是ICP式加速度传感器来检测隔振平台的振动情况。传感器的输出为±5 V的电压信号，为了获得足够的分辨率和线性度，选用了ADI公司的24位∑-△ADC转换芯片AD7734。其非线性度不超过±0.0025%，并具有SPI通信接口。通过配置AD7734的内部寄存器，可以直接采样加速度传感器输出的±5 V信号。前向通道的电路原理图如图2所示。其中，AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以提供2.5 V输出。

　　VCM驱动电路原理如图3所示。VCM是永磁式直线型电机，改变线圈控制电压的方向和大小，即可改变VCM的运动方向和定位位置，且其定位精度与控制信号的分辨精度密切相关。为了获得较大的驱动能力，选用了TI公司的双全桥PWM电机驱动芯片DRV8402。该驱动芯片可以工作在500 kHz的切换频率下，操作电压为12～50 V，可持续输出10 A电流，峰值电流高达24 A;能100%线性还原输入的PWM，对控制精度无损。采用F2812的PWM输出模块与DRV8402配合使用，VCM的控制精度可达16位。