引言
近年來，隨著微／納米技術的蓬勃發展，加工、測量都要求一個穩定的環境，以提高加工、測量精度。然而振動干擾無處不在，室外交通、室內人員走動、機械設備運轉等均可能造成振動干擾。大地產生的振動頻率約為0．1～10 Hz，實驗室人員走動所產生的振動頻率約為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。因其具有結構簡單、直接驅動、維護容易等優點，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中主動吸振器的驅動器，并給出了軟、硬件設計方法。
1 系統硬件設計
VCM控制系統硬件電路采用TI公司的TMS320F2812(以下簡稱F2812)作為控制系統核心。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控制系統結構框圖如圖1所示。
圖1中，電源模塊為系統提供各種規格的電源需求；DSP最小系統模塊是控制系統的運算處理核心；數據存儲模塊分別采用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的振動干擾檢測模塊，即控制系統的前向通道；VCM驅動電路模塊為控制系統的后向通道。
在主動隔振系統中，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。為了獲得較大的驅動能力，選用了TI公司的雙全橋PWM電機驅動芯片DRV8402。該驅動芯片可以工作在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 系統軟件設計
為了滿足控制系統的實時性要求，在參考μC／OS-I的基礎上，結合F2812的32位硬件定時器Timer 2，編寫了一種基于時鐘節拍和消息機制的軟件系統。該軟件系統完全由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)，數字越大依賴度越大。
核心文件之間的包含調用關系如圖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，即該軟件系統的前臺操作流程。在主程序的大循環(while(1){；})中，系統會不斷地從消息隊列中取消息，判斷消息類型，然后根據消息類型和消息值執行相應操作。圖5(b)是系統時鐘節拍的中斷服務函數流程。該時鐘節拍由硬件定時器Timer 2(T2)產生，節拍周期可調，通常為20ms。每個時鐘節拍周期到了之后，系統中斷并進人中斷服務函數，執行T2例行程序，這是系統的后臺操作。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，如果有則調用軟件時鐘服務函數，然后執行系統例行程序。如果沒有，則直接調用系統例行程序。
軟件時鐘是一種基于系統時鐘節拍的定時操作，可以把它理解成鬧鐘，即每個一定時間都執行某一操作，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行，也可以在中斷中執行。但不宜把太多的軟件鬧鐘設為在消息隊列中執行。
消息傳遞機制是該軟件系統前后臺配合的紐帶。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，然后執行相應的操作。目前，消息隊列是FIFO的方式，不支持優先級，在實際應用時一定要保證消息隊列的容量足夠大。
結語
經過實驗調試，基于該VCM控制系統的低頻隔振平臺能有效地動態抑制外界振動干擾。此外，基于時鐘節拍和消息機制的軟件系統被多次移植到其他項目應用上，均取得了良好的效果。