磁存儲(chǔ)設(shè)備抗沖擊技術(shù)控制系統(tǒng)

1　引 言

對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)來(lái)說(shuō),磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)商通過(guò)增加磁道密度（以每英寸的磁道數(shù)為單位）和磁盤(pán)轉(zhuǎn)速（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位）來(lái)擴(kuò)大計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的容量和改善其性能。隨著磁密度的增加,兩相鄰磁道間的距離變小了。因此,所允許的讀／寫(xiě)頭和磁道的偏離誤差,即磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器業(yè)內(nèi)所說(shuō)的誤定位,也相應(yīng)的降低了,這樣硬盤(pán)很容易受到傷害。他的工作原理決定其必須使用抗惡劣環(huán)境加固技術(shù),而且主要針對(duì)機(jī)械物理環(huán)境和氣候環(huán)境實(shí)施加固。對(duì)磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)說(shuō),機(jī)械物理環(huán)境中最為惡劣的是振動(dòng)、沖擊環(huán)境。本文采用了外加固主動(dòng)控制理論與技術(shù),將電磁主動(dòng)控制技術(shù)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備（微型盤(pán)）的振動(dòng)沖擊外加固,并且構(gòu)建了以DSP 為硬件平臺(tái)的數(shù)字主動(dòng)控制系統(tǒng)。

2　數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

從1982年TI（美國(guó)德州儀器公司）推出通用可編 程DSP芯片以來(lái),DSP技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展。目前DSP芯片市場(chǎng)中,主要由TI,ADI,AT＆T和Motorola公司占據(jù)。本文綜合實(shí)際要求,采用一款由TI公司生產(chǎn)的新型16位定點(diǎn)DSP芯片：TMS320F243,他集成了A／D,PWM調(diào)制等幾種先進(jìn)外設(shè),特別適于對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制。

2．1　控制系統(tǒng)原理

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）具有實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力和強(qiáng)大的運(yùn)算功能。該系統(tǒng)的工作原理是基礎(chǔ)加速度傳感器拾取基礎(chǔ)振動(dòng)沖擊加速度信號(hào),然后送入前置放大器,由DSP將電荷放大器輸出信號(hào)經(jīng)A／D采樣后,完成對(duì)信號(hào)的一次積分（轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)）和二次積分（轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)）運(yùn)算,將兩次積分結(jié)果做求和運(yùn)算,再將結(jié)果經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后輸入到功率放大器,最后將功率放大器輸出信號(hào)以控制電壓的形式加在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作動(dòng)力來(lái)抵消來(lái)自基礎(chǔ)的振動(dòng)和沖擊。由于DSP片內(nèi)集成了10 b的A／D,所以可直接將模擬信號(hào)與DSP相接,圖1是整個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)的原理框圖。的DAC7611。由于DSP內(nèi)部10 b A／D的電壓輸入范圍為0～5 V,輸入信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后由數(shù)值0～1 023（十進(jìn)制數(shù)）來(lái)分別對(duì)應(yīng)0～5 V的電壓信號(hào)。所以DSP的輸入信號(hào)已不是正負(fù)對(duì)稱(chēng)信號(hào),并且系統(tǒng)中DAC7611的輸出范圍為0～4．095 V,而系統(tǒng)后級(jí)中功放的輸入應(yīng)是零均值的,所以需要對(duì)DAC輸出信號(hào)利用運(yùn)算放大器進(jìn)行電平變換。

另外,DAC7611對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)的要求非常嚴(yán)格。 他要求其時(shí)鐘信號(hào)的上升沿發(fā)生在每一位數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程中。TMS320F243的SPI（串行外設(shè)接口）是一個(gè)高速、同步串行I／O口,他可以設(shè)置每次產(chǎn)生的串行數(shù)據(jù)流的位數(shù)（1～16位）,并且對(duì)于位傳輸速度也可以編程控制。

SPI的時(shí)鐘輸出信號(hào)線SPICLK能夠提供4種類(lèi)型的時(shí)鐘信號(hào)。其中有一種帶延時(shí)的上升沿時(shí)鐘,可使SPI在上升沿之前的半個(gè)周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),或在SPICLK信號(hào)上升沿后接收數(shù)據(jù)。這恰好符合DAC7611時(shí)鐘信號(hào)的要求。

由于DSP片內(nèi)資源有限,設(shè)計(jì)中在片外擴(kuò)展了用于存放數(shù)據(jù)的RAMCY71021,其讀寫(xiě)時(shí)間為12 ns,與DSP的速度匹配。并且該芯片在未被操作時(shí)會(huì)自動(dòng)采用低功耗工作方式。在利用DSP的串行外設(shè)接口向D／A傳送數(shù)據(jù)時(shí),系統(tǒng)還采用光耦器件將數(shù)、模電路進(jìn)行隔離。由于系統(tǒng)加電后,程序首先是從片內(nèi)的FLSH程序ROM開(kāi)始執(zhí)行的,所以一定要把引腳MP／MC接成微處理器方式。

3　數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1　控制算法

經(jīng)過(guò)深入研究和大量的分析、計(jì)算,得出該系統(tǒng) 的機(jī)電動(dòng)力學(xué)模型如下：

其中：為基礎(chǔ)振動(dòng)加速度;c1,k1分別為與基礎(chǔ)振動(dòng)相關(guān)的二次積分和一次積分系數(shù)。

設(shè)u為的電荷放大信號(hào),根據(jù)控制要求,該系統(tǒng)主要利用DSP完成以下運(yùn)算：

并采用均值補(bǔ)償法對(duì)積分結(jié)果進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的控制。將上式離散化則生成：

其中：m1（n）,m2（n）分別是一、二次積分運(yùn)算的均值。

3．2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)頭文件（擴(kuò)展名為．h）的主要功能就是將DSP內(nèi)部的各個(gè)特殊功能寄存器的名稱(chēng)與其默認(rèn)地址相對(duì)應(yīng)。在匯編語(yǔ)言的執(zhí)行過(guò)程中DSP指針會(huì)直接按寄存器名去訪問(wèn)在頭文件中規(guī)定過(guò)的地址。命令文件（擴(kuò)展名為．cmd）實(shí)際上是DSP的資源配置文件,在PAGE0頁(yè)（程序空間）他定義了各程序模塊的起始地址和空間長(zhǎng)度,對(duì)片內(nèi)、外各程序段、中斷矢量表的定義等;在PAGE1頁(yè)（數(shù)據(jù)空間）他定義了各數(shù)據(jù)模塊的起始地址和空間長(zhǎng)度,如對(duì)各種參數(shù)、片內(nèi)、外 66數(shù)據(jù)區(qū)的定義等。此外,應(yīng)注意遵守DSP實(shí)際存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間的約定。

由于該系統(tǒng)主要是通過(guò)DSP的ADC模塊和SPI模塊與其外圍器件通信,所以在軟件設(shè)計(jì)中需要對(duì)他們的工作模式進(jìn)行配置［1］。對(duì)于片內(nèi)ADC的工作模式：首先應(yīng)該確定ADC的啟動(dòng)模式,然后使ADC達(dá)到10 kHz的采樣率。為了保證準(zhǔn)確的采樣率,通過(guò)DSP內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷作為ADC的啟動(dòng)方式。由于TMS320F243的機(jī)器指令周期為50 ns,所以在兩次采樣時(shí)間間隔內(nèi)至多可以運(yùn)行約2 000個(gè)指令周期,否則就不能完成實(shí)時(shí)運(yùn)算。對(duì)于SPI模塊：首先設(shè)定其通信方式為主模式,使數(shù)據(jù)按時(shí)序從SPISIMO管腳移出;然后設(shè)定每次傳輸串行數(shù)據(jù)的位數(shù)、時(shí)鐘信號(hào)方式、傳輸速率等。由于DSP片外D／A器件為12 b,而DSP的數(shù)據(jù)總線位16 b,所以必須將最后的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整后再由SPI送出。

另外,DSP內(nèi)部的A／D由數(shù)值0～1 023（十進(jìn)制數(shù)）來(lái)分別對(duì)應(yīng)0～5 V的輸入電壓信號(hào),所以應(yīng)由值511來(lái)表示零均值點(diǎn),這一點(diǎn)在均值補(bǔ)償時(shí)要特別注意。

4　結(jié)　語(yǔ)

采用DSP直接實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制是近年才發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù),他比傳統(tǒng)控制方法具有鮮明優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制,而且低頻段的相位誤差非常小,同時(shí)又可以兼顧較高頻段,適用范圍大。此外,他穩(wěn)定性好、精度高,并易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的控制。

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