1 引言
磁流變液（magnetorhelogical fluids, MRF）是由非膠體的細(xì)小顆粒分散溶于絕緣載液中形成的隨外加磁場變化而可控制其流變行為的懸浮液。
磁流變液在外加磁場作用下流變特性發(fā)生急劇變化，可由流動性良好的液體狀態(tài)在短時間（毫秒級）內(nèi)粘度增大，而呈現(xiàn)類似固體的狀態(tài)，而且這種變化是連續(xù)、可逆的，即一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體，表現(xiàn)出優(yōu)良的可控性能。磁流變阻尼器基本組成原理如圖1所示：
圖1 磁流變阻尼器組成原理圖
分析可知，活塞受力平衡方程為：
其中x為活塞位移，m為質(zhì)量，k為彈性系數(shù)，
為其它阻力，均可測出。改變繞在活塞上的線圈中的電流的波形、頻率、幅值，就能控制腔體中磁流變液的流體狀態(tài)，從而達(dá)到控制阻尼系數(shù) 的目標(biāo)。
目前，各主要發(fā)達(dá)國家仍在競相發(fā)展這一技術(shù)，研究最多的有美國、德國和日本等。國內(nèi)對這方面特別是在應(yīng)用方面的研究尚處于起步階段。本文給出了一種基于Motorola公司M68HC08系列單片機(jī)的磁流變阻尼器控制系統(tǒng)設(shè)計方法。
2 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
控制系統(tǒng)的主要設(shè)計目標(biāo)是一個波形、頻率、幅度均可控的波形發(fā)生器。一種方法是采用軟件編程即在單片機(jī)中存貯波形數(shù)據(jù)再通過D/A轉(zhuǎn)換輸出，這種方法所需硬件少，但是占用MCU運(yùn)算時間多，調(diào)節(jié)波形參數(shù)困難，輸出波形精度差。因此本文采用程控函數(shù)波形發(fā)生器芯片和程控增益放大器芯片的硬件組成方法。
硬件設(shè)計框圖如圖2所示，主要由上位機(jī)、MCU模塊、D/A模塊、波形發(fā)生模塊、波形選擇與幅度調(diào)節(jié)模塊和檢測模塊組成。系統(tǒng)核心MCU模塊采用MC68HC908GP32單片機(jī)，負(fù)責(zé)采集檢測模塊傳來的壓力、位移信號，進(jìn)行控制算法運(yùn)算，波形發(fā)生控制，MCU與上位機(jī)通過RS232進(jìn)行串行通信，把系統(tǒng)參數(shù)與狀態(tài)發(fā)送給計算機(jī)，并接受計算機(jī)的指令。
3 MCU模塊
磁流變阻尼器的主要應(yīng)用之一是減震器，工作環(huán)境可能十分惡劣，對MCU的性能提出了更高的要求。摩托羅拉08系列單片機(jī)是摩托羅拉公司1994年才推出的新產(chǎn)品，功能強(qiáng)大，型號齊全，抗干擾性能十分突出，本文采用該系列的通用型號MC68HC908GP32作為控制系統(tǒng)MCU。
如圖2所示，GP32的PTA口用作DAC0832數(shù)據(jù) DI7－DI0 ；PTB口用作壓力和位移傳感器輸入，由GP32內(nèi)部的8位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；PTD口發(fā)出PWM波；PTE口與計算機(jī)進(jìn)行串行通信；所有的芯片控制線由PTC口引出。
4 D/A模塊和波形發(fā)生模塊
D/A模塊采用8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，屬于常用芯片，在此不再贅述。需要注意的是GP32沒有寫信號線,0832需要的信號可由GP32的PTC口通過編程造出。
ICL8038是美國Intersil公司生產(chǎn)的單片精密函數(shù)發(fā)生器專用芯片，可以輸出0.00l Hz一300KHz高質(zhì)量的正弦波、矩形被(或方波、窄脈沖)、三角波(或鋸齒波)等函數(shù)波形，具有頻率范圍寬、頻率穩(wěn)定度高、外圍電路簡單、便于制作等優(yōu)點(diǎn)。
本文利用ICL8038作為三種波形的程控頻率波形發(fā)生器芯片。如圖3所示，單片機(jī)輸出DAC0832 和運(yùn)放LM324轉(zhuǎn)為控制電壓Vc送至ICL8038的8號腳。當(dāng)Vc等于電源電壓V+ 時，輸出頻率f最低，而當(dāng)Vc比2V+/3高2伏時，所得輸出頻率f最高。
圖3 ICL8038波形發(fā)生器
根據(jù)ICL8038技術(shù)手冊，通過改變10腳所接電容C的大小可調(diào)整輸出頻率范圍，4腳和5腳間跨接的1K 電位器調(diào)節(jié)內(nèi)部恒流源波形上升時間和下降時間，相當(dāng)于調(diào)節(jié)三角波上升和下降時間，方波的占空比，11腳和12腳上兩個100K電位器調(diào)節(jié)可以輸出正弦波形的對稱性，減小波形失真度。
5 波形選擇與幅度調(diào)節(jié)
四種波形的選擇輸出采用單片8通路開關(guān)CD4051，可由A、B、C三個二進(jìn)制信號譯碼在8個通路中任選一路輸出。
程控波形幅度調(diào)節(jié)有多種方法，可以采用程控增益放大器芯片，也可以采用改變運(yùn)放反饋電阻的方法。集成程控增益放大器芯片一般增益只有幾個檔位，可調(diào)范圍有限。改變運(yùn)放反饋電阻最簡單的方法是用多路開關(guān)選通不同阻值的反饋電阻，但缺點(diǎn)是漂移較大、輸入阻抗不高。
本文采用單片0832和運(yùn)放LM324構(gòu)成程控增益電路，其原理如圖4所示，輸入Vi接0832的VREF，運(yùn)放輸出Vo接0832的Rfb 。0832內(nèi)部是R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，可以證明:Vo＝－D Vi/256。其中D為單片機(jī)送入0832的數(shù)字量，增益A＝-D/256。根據(jù)上述原理構(gòu)成的程控增益電路不僅能增益量程多變，而且具有寬的通頻帶，性價比高。
圖4 程控增益調(diào)節(jié)原理
6 軟件設(shè)計
圖5 主程序流程圖
控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖5所示，初始化主要是配置MC68HC908GP32的CONFIG寄存器和PLL控制寄存器，并初始化輸出波形。接著啟動GP32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，采集壓力和位移信號，與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示，根據(jù)控制策略選擇合適的控制波形。這里給出主程序主體框架 (限于篇幅，程序框架大部分為子程序形式) ：
;****設(shè)置I/0口寄存器********
PTA equ $0000 ;A口寄存器
……
;*****設(shè)置SCI,PWM,A/D寄存器等*********
SCSR equ $0016 ;SCI狀態(tài)寄存器
……
;***** RAM數(shù)據(jù)區(qū)定義（變量名定義）********
ORG $0040
Pres FCB 1, Disp FCB 1 ;壓力、位移數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
DA_Value1 FCB 1,DA_Value2 FCB 1,Wave_Sel FCB 1
;兩片0832數(shù)據(jù)，波形選通路數(shù)……
;*****Flash程序區(qū)*****
ORG $8000
MainInit: SEI ;禁止所有中斷
LDHX #$023F ;堆棧初始化，放入GP32的RAM最高端
TXS
JSR SysInit ;系統(tǒng)初始化子程序SysInit
LDA #$FF ;I/0口方向寄存器賦值
STA DDRA
……
Main: JSR AdConvert ;A/D轉(zhuǎn)換，讀入壓力，位移，結(jié)果送緩沖區(qū)Pres,Disp保存
JSR Commu ;與上位機(jī)通信
JSR Calculate ;算法模塊運(yùn)算,得出控制波形的種類和參數(shù)
BCS NotPWM ;標(biāo)志位C＝1，采用其他波形
JSR SelPWM ;選通PWM
JSR PWM ;PWM模塊波形參數(shù)設(shè)置：占空比和周期
NotPWM:
JSR OtherWave ;選通其他波形，參數(shù)設(shè)置：向0832送入波形頻率、幅度控制值。
BRA Main
ORG $FFFE ;復(fù)位矢量
DW MainInit
6 結(jié)論
本文以摩托羅拉公司MC68HC908GP32 MCU為核心設(shè)計了用于磁流變阻尼器的電流控制系統(tǒng)。已在實(shí)驗(yàn)臺上起到了較好控制作用?？刂扑惴▽τ诖帕髯冏枘崞鬟@類很難確定控制模型的對象具有重要意義，有待于進(jìn)一步研究。
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