SMA机敏结构交替驱动恒流源及其振动控制

    引　言

    由机敏材料构成的智能器件(如阻尼器、驱动器等)构造简单,调节驱动容易,耗能小,反应迅速,在结构振动主动控制中有广阔的应用前景。当前,智能结构研究中广泛采用了SMA、压电材料和磁致伸缩材料等机敏材料作为驱动组元[1-3]。其中,SMA以其特有的形状记忆、超弹性、大变形、高耗能以及良好的耐腐蚀与耐疲劳性能等独特优势[4-5],被认为是结构控制中最有前途的驱动材料之一。

    基于SMA的弹性模量随温度变化而改变的特性,可以实现对结构振动的主动控制[6-8]。当前研究的基本思路是将SMA机敏致动材料复合到结构中去,通过针对SMA驱动组元的电流驱动和致热形变,以变复合结构的材料力学特性和刚度,从而实现结构振动主动控制[9-11]。SMA驱动方式和驱动源特性的优劣程度很大程度上决定了振动控制的可行性和效率。

    笔者以SMA机敏结构振动主动控制为研究背景,提出一种多路宽量程SMA驱动恒流源设计方案,其技术特性不仅要求具有分布多路驱动功能和大电流恒流稳定的特点,同时采用数字化控制方式,具有良好的智能管理功能,进而能够实现针对SMA驱动组元的交替驱动控制策略。电路构成上采用Microchip公司PIC18F4620为核心MCU,以TI公司OPA549芯片作为功放芯片,结合软件开发和功能设计,完全实现了多路多机恒流交替驱动能力,具有使用方便和可靠稳定的特点,从而为SMA机敏结构振动主动控制研究提供了重要的实验手段和组成单元。在此基础上,通过构建实验模型结构和实验平台,基于交替驱动SMA组元策略进行了结构振动主动控制实验,取得了良好的控制效果。

    1　多路交替驱动恒流源设计方案

    1.1　系统硬件设计

　　多路SMA驱动恒流源设计,不仅要考虑恒定大电流稳定输出问题,而且必须考虑放大器的最大转换速率、放大器的输出功率和各项参数,因此功放芯片参数的合理选择至关重要。根据上述技术要求,本系统设计方案如下:采用Microchip公司的PIC18F4620单片机、D/A转换芯片TLC5615和基准电压芯片LM385-2.5组成数模转换电路,放大器OP07组成放大和跟随电路,TI公司功率放大器OPA549芯片和高精度采样电阻组成恒流源电路,同时以TOPWAY公司320*240的LM2088EFW-C液晶屏组成人机接口电路、485通信接口电路以及过热和过流保护电路及装置。图1为本系统设计原理框图。

    1.1.1　PIC18f4620单片机

    MCU系统是整个硬件系统的核心,是实现系统各项功能的控制器。本方案采用微芯公司PIC18F4620微处理器,构成恒流控制回路的运算控制单元。它采用16位的RISC指令系统、哈佛总线结构、两级流水线取指等技术,具有64 kB快闪存内存、4 kB的RAM、片内看门狗、内部EEPROM等丰富的片内资源,抗干扰性能好,功耗低,速度高,另外还包括单片机系统必须的振荡和复位电路。设计方案实现4路电流恒流输出,采用单片机的PB3～PB7端口通过20针插排和D/A的片选端CS相连,实现多路电流输出的选择。