摘 要

随着舰船向大型化、高速化方向发展,舰船及其设备的振动问题已经成为国内外学者研究的热点。近40年来,国内外学者在潜艇减振降噪方面进行了大量的理论与试验的研究,并取得了显著的进步。其中,振动隔离技术是舰船振动控制中研究最多、应用最广的一项振动控制技术。目前,隔振系统已经在工程实践中大量应用,如舰船动力装置的隔振、精密仪器和仪表的振动隔离等。振动隔离技术已经成为舰艇机械噪声控制的核心技术之一。

本文以潜艇浮筏为控制对象，开发了一套抑制低频振动的动力装置主动隔振系统。我们以DSP FPGA双核处理器作为控制核心，以加速度作为该装置的输入以及反馈，另外以电磁作动器作为该系统的执行机构。

论文主要研究了动力装置主动隔振系统控制器硬件部分的开发与设计。其中包括DSP和FPGA的外围电路以及最小系统电路，AD采集电路，DA采集电路，I\O电路，以太网通讯电路的设计，并用Cadence16.5软件将其原理图绘制完成。

在该系统中，FPGA是负责信号的采集和输出，而DSP是负责数字滤波，算法运算和与上位机进行通讯。运用DSP FPGA双核处理装置，使得DSP与FPGA两者协调工作，既可以发挥出DSP快速处理数据的能力，又能够发挥出FPGA的灵活性和并行处理能力。两者功能相互互补，使系统的控制机构具有响应时间快，采样频率高，多通道并行控制的优点。

关键词：动力装置；主动隔振；硬件电路；DSP；FPGA

Abstract

With the development of large-scale and high-speed ships, the vibration of ships and their equipments have become the focus of scholars at home and abroad. In the past 40 years, scholars at home and abroad have carried out a great deal of theoretical and experimental researches on the vibration reduction and noise reduction of submarines, and have made remarkable progress. At present, vibration isolation system has been widely used in engineering practice, such as vibration isolation of warships, precision instruments and meters,etc. Vibration isolation technology has become one of the key technologies of ship mechanical noise control.

In this paper, a set of active vibration isolation system is developed to control the low frequency vibration of submarine floating raft. We use the DSP FPGA dual core processor as the control core, with acceleration as the input and feedback of the device, in addition, the electromagnetic actuator is used as the actuator of the system.

This paper mainly studies the development and design of the hardware part of the active vibration isolation system controller. Including the DSP and FPGA peripheral circuit and the minimum system circuit, AD acquisition circuit, DA acquisition circuit, I\O circuit, Ethernet communication circuit design, and use Cadence16.5 software to complete its schematic diagram.

In this system, FPGA is in charge of for signal acquisition and output, and DSP is responsible for digital filtering, algorithm calculation and communication with the host computer. Using DSP FPGA dual core processing device makes DSP and FPGA work together, which can not only give DSP the ability to process data quickly, but also play the flexibility and parallel processing ability of FPGA. The two functions complement each other, so that the control mechanism of the system has the advantages of fast response time, high sampling frequency and multi-channel parallel control.

Key Words：；power device；active vibration isolation；hardware circuit; DSP; FPGA

目 录

第1章 绪论 1

1.1振动的危害和隔振技术的发展应用 1

1.1.1振动的危害 1

1.1.2隔振技术的发展应用 1

1.2主动隔振系统的国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3主动隔振系统执行机构的研究 4

1.4本文研究的主要内容 5

第2章 主动隔振系统的设计 6

2.1主动隔振系统吸振器结构的研究 6

2.1.1吸振器机构的研究 6

2.1.2主动隔振系统吸振器工作原理的说明 7

2.2 主动隔振系统的结构组成 8

2.3 控制器的研究 9

第3章 主动隔振系统的硬件电路设计 11

3.1 主动隔振系统硬件电路的设计与选型 11

3.1.1 DSP和FPGA的选型 11

3.1.2 DSP和FPGA外围电路的设计 13

3.1.3 EEPROM储存器的选型与介绍 15

3.2 主动隔振系统硬件电路的最小供电电路的设计 15

3.2.1供电电路的设计 16

3.2.2复位电路的设计 16

3.3 硬件电路中的AD采集电路的设计 17

3.3.1 AD采集电路的外围电路的设计 17

3.3.2 AD外围电路设计需考虑的问题 18

3.4 硬件电路中的DA输出电路的设计 19

3.4.1 AD5724芯片外围电路的大致介绍 19

3.4.2 AD应用电路设计中需注意的问题以及设计流程 20

3.5 硬件电路中的I/O电路的设计 24

3.6 硬件电路中的以太通讯的电路设计 25

3.6.1上位机与下位机的通讯 25

3.6.2 以太网通讯的电路设计 26

3.7. PCB版图设计的流程以及注意事项 27

3.6.1 PCB版图设计流程 27

3.6.2PCB版图设计需注意的事项 28

第4章 总结与展望 29

参考文献 30

致谢 30

第一章 绪论

随着人们对工作环境，设备可靠性及耐用度，加工精度和设备隐藏性的要求不断提高，对于振动控制的需求越来越多，随着主动隔振系统的算法复杂度与实时性的要求越来越高，使得专业高性能硬件控制器的开发具有重要的意义。本章介绍了论文研究的背景，以及国内外现状和隔振系统的发展情况，为动力设备主动隔振系统的硬件设计提供重要的参考依据。

1.1振动的危害和隔振技术的发展应用

• • 1. 振动的危害

振动广泛地存在于自然界，人们的日常生活和生产过程之中。强烈的振动常常造成机械结构损坏，设备功能异常，人员疲劳甚至引起各种振动疾病。以柴油机为例子其振动会造成以下危害：降低柴油机的工作可靠性和寿命，恶化周围的工作环境，影响其他设备的可靠程度。对于常规动力潜艇来说则降低其隐藏性。人们对于抑制动力装置振动的研究很久以前就已经开始了，随着人们对工作环境，设备可靠性及其耐用度和加工精度的要求不断提高，如今抵抗振动的技术已广泛的运用到很多领域，比如船舶，潜艇，汽车，精密加工和航天等领域。

• • 1. 隔振技术的发展和应用

近四十年余来,国内外学者在潜艇减振降噪方面进行了大量的理论与试验的研究,并取得了显著的进步。比如1904年Lanchester就发明了一种弹性摩擦离合器，解决了发动机扭振严重的问题。其中,在舰船振动控制中，研究最多，应用最广的一项振动控制技术就是振动隔离技术。就当今而言,隔振系统已经在工程实践中大量应用,比如说舰船上动力装置的隔振、精密仪器和仪表的振动隔离等。目前，舰艇机械噪声控制的核心技术之一就是振动隔离技术。

• 1. 主动隔振系统的国内外研究现状
     1. 国外研究现状

国外对隔振技术不仅对理论研究方面还是应用方面都已相比国内成熟许多，并且各型舰艇中都广泛装备了隔振装置，它们对隔振技术的研究已经有了几十年的历史。早期著名实例见于美国通用电气公司R.M.Gorman的工作，他在两台主推进柴油机和两台辅助柴油发电机隔振系统中，引入了双层隔振装置，得到了较好的隔振效果。70年代后期建造的苏格兰渔业调查船上所采用的浮筏隔振技术，实船试验表明:通过两级隔振后，从机组到船体总的振动传递损失在低频段(31.5Hz-250Hz)为35dB，高频段(250Hz-lOkHz)达到50dB^[1]。在国外，客轮以及旅游船上采用隔振装置的占了绝大多数。这类船舶弹性支撑的固有频率做的很低是由于该类船舶主机转速较低，另外转速变化的范围还大。对于办理此类题目，MAN Bamp;W公司首要采取软弹性支持体系，该体系可以削弱主振源的脉动扭矩，其振幅可以下降到原来振幅的5%以下。另外日本采用了现场平衡技术，平衡颠覆力矩的幅值在该技术下可以减小一次，进而对子漫速运转时过大的振幅有抑制作用。

动力装置主动隔振系统一般包含四个组成部分:1）被控对象 2）信号采集 3）硬件控制器 4）控制器的算法 5）执行机构。信号采集部分包括信号传感器和信号调理电路两部分，其被控对象是根据应用场景不同而千差万别。