基于DSP 的磁流变阻尼器信号预处理

只看该作者 · 2018-5-5 10:42

基于DSP 的磁流变阻尼器信号预处理

　摘要：磁流变阻尼器是一种效率高，响应快，耗能低的智能阻尼器，在众多领域具有广泛应用前景。本文设计并实现了以硬件调理加软件调理相结合的磁流变阻尼器传感器信号预处理方案，此方案中硬件部分采用了集成开关电容滤波器MF10，软件部分采用了去极值递推均值滤波并加入线性误差补偿算法，满足了磁流变阻尼器控制器信号预处理的要求，亦可作为其它信号预处理的参考。

　　引言

　　磁流变阻尼器的工作原理是改变励磁线圈中的电流从而获得不同强度的磁场，使工作腔中的磁流变液的流动特性发生变化，从而改变阻尼力的大小。因此，控制器只要能实时精确调节磁流变阻尼器的驱动电流，就能达到控制磁流变阻尼器的目的。本文采用TI 公司出产的TMS320F2812 作为整个系统的控制核心，它不仅控制输出，而且需要从传感器获取采样加速度、位移等微弱信号，由于这些信号含有各种噪声和干扰，干扰来自于被测信号源，传感器及调理电路，外界干扰，所以在控制策略实现前的信号预处理就显得至关重要，直接关系到系统的控制性能。本文结合软硬数字滤波，优势互补：外围的信号调理，DSP 中的数字滤波。

　　1. 传感器信号调理电路设计

　　首先，在调理信号的过程中，对外界的信号噪声干扰的抑制一直是最重要的功能之一，噪声有周期和非周期之分，对于周期性噪声，例如50Hz 的功频干扰，用硬件滤波能有效消除其影响，这里以滤波作为调理电路的核心，如图1 所示。

　　从图中可以看出，调理电路中最重要的是图中的第二级滤波电路。滤波的好坏直接影响调理输出的信号的效果。这里用开关电容滤波器（SCF）来作为滤波核心模块。

　　1.1 开关电容滤波器的原理及应用

　　1972 年，弗雷特提出了用开关和电容模拟电阻的 SC 电路的理论即当时钟频率远大于信号频率时，有C R R =1/ f C 其中（ C f 为时钟频率）[2]。

　　图2 开关电容模拟电阻

　　1.2 滤波电路设计

　　这里采用高精度、高性能的四阶MF10（NATIONal Semiconductor）来设计滤波电路。通过调整相应的电阻，可以改变滤波器的滤波频率、品质以及增益。在CLK 端输入时钟频率 clk f ，滤波器工作在以clk f / 50或clk f / 100 为截止频率的低通滤波器状态，最重要的是截止频率只由外部时钟精确稳定的确定，那么就可以通过CPLD 电路设定输入时钟频率精确控制滤波器的滤波截止频率。利用CPLD 在线可编程的功能，可以方便的调整改变低通滤波截止频率，对电路调试非常方便。

　　由于传感器输出电压一般不会超过-10V--+10V，而MF10 输入可在10V 范围内，输出为 -3.8---+3.8V，但要求在滤波器截止频率以下放大系数为1，所以需加一级分压调理电路，使从滤波器输出为-3.0--+3.0V。由于从滤波器出来信号的幅值在-3.0--+3.0V 之间，而DSP F2812 的A/D 模块的信号幅度在0~+3.0V 之间，所以需要进行线性调理。图3a 是以MF10 为核心设计的两通道信号调理电路。

　　图3 两通道信号调理电路

　　2．DSP 数字滤波

　　对于不规则随机噪声，可以用数字滤波的方法予以削弱。所谓数字滤波，也就是软件滤波，通过程序设计来实现有用信号的加强和噪声信号的削弱。常用的数字滤波有阀值滤波，限幅滤波，中值滤波，均值滤波，加权均值滤波等等。本文采用去极值递推均值滤波，把信号放入一个内存数组空间，长度为n，每次采样值加入数组尾，同时扔掉数组头值，再累加，并找出极值（最大和最小），在总和中减去这两个值，最后求n－2 个数的均值作为滤波结果。这种方法对脉冲干扰有很好的抑制作用，且平滑度高，但对CPU 计算要求比较高，不过F2812 属于高性能DSP，能胜任高速计算和控制要求。主程序在RAM 中开辟n＝6 个的缓冲区，每次采样后都要调用滤波函数。在数字滤波之前，需要对数据进行精度补偿。由于阻尼器频率工作在中低频范围，硬件调理电路工作于线性区域，故采用线性误差补偿法，比例系数和截距由系统输入与输出测试确定。AD 精度为12 位（0－4095）对应模拟量（0－3.0V），在25MHz 下ADC 时钟下转换率为80ns。

　　由于F2812 是32 位定点处理器，为了提高精度，引入点定转浮点的方法，需要在工程中加入IQMath 头文件。IQMath 由高度优化的高精度数学函数集构成，可以用C/C++设计将浮点算法无缝地转化成DSP 的定点代码。IQMath 程序使得以类浮点格式编写定点程序成为可能，该程序还能处理在定点编程中需要额外考虑的饱和及溢出问题。而且，IQMath 程序特别适用于需要极高执行速度和运算精度的计算密集型实时应用[3]。本文采用IQ16 的定点转浮点法（整数和小数部分都是16 位），滤波函数如下所示：

　　3．结果

　　如图４所示，a 是磁流变阻尼器控制器系统中电路调理部分（共6 路信号通道），整套系统由电流驱动及反馈电路，调理电路和SEED 的TMS320F2812 开发板（购买），电源（购买）， PC 监控程序组成；b 是在某一个时刻的测试数据（Delphi 编程），此时测试输入为1.5V 上下变化，经过预处理后，监控程序显示在1.5V 左右变化,并且保证了足够的精度。