基于DSP的覆冰機器人控制系統深度研究
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DSP(digital signal processor)是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。
覆冰和積雪等原因時(shí)刻威脅著(zhù)電力及通信網(wǎng)絡(luò )的安全運行[1-4]。覆冰機器人是針對去除輸電線(xiàn)路覆冰的自動(dòng)化裝置。該機器人需要對行走電機、關(guān)節電機以及夾抓加緊電機等多種電機進(jìn)行伺服控制。電機的種類(lèi)和數量相對繁多，因此機器人控制系統相對比較復雜。本文主要研究了覆冰機器人的行走電機伺服控制。行走電機需要帶動(dòng)機器人在線(xiàn)路上行走，當線(xiàn)路有較大覆冰時(shí)要帶動(dòng)除冰刀完成破冰工作。機器人在作業(yè)中，當遇到冰層厚不能連續前進(jìn)時(shí)，自動(dòng)完成后退，加速前沖，進(jìn)行斷續除冰。
行走電機伺服控制采用以電機控制專(zhuān)用芯片TMS320LF2407為核心的全數字化無(wú)刷直流電機控制系統。采用全數字化控制方式可以有效地避免模擬控制中不穩定因素的干擾。由于該機器人工作在強電磁環(huán)境中，因此全數字化控制方式可以有效地避免電磁干擾。由于直流無(wú)刷電機具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠等交流電機的一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應等直流電機的優(yōu)點(diǎn)，因此該系統選擇直流無(wú)刷電機作為機器人軸驅動(dòng)[5]。
1 控制系統總體結構設計
通過(guò)分析直流電機的運動(dòng)方程可知，電機加速度與其轉矩成正比，而轉矩又與其電流成正比，因此，要實(shí)現電機的高精度高動(dòng)態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對電機的速度、電流以及位置進(jìn)行檢測和控制。系統中包括位置檢測環(huán)節和電流檢測環(huán)節，分別檢測電機的轉速和電流。系統的硬件電路主要包括DSP系統、功率驅動(dòng)電路、隔離電路、位置檢測電路和電流檢測電路。系統的結構原理如圖1所示。
數字信號處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來(lái)，隨著(zhù)計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。數字信號處理是一種通過(guò)使用數學(xué)技巧執行轉換或提取信息，來(lái)處理現實(shí)信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠(chǎng)商在這一領(lǐng)域擁有很強的實(shí)力。
2速度閉環(huán)控制
根據輸入的設定值和反饋量形成偏差，經(jīng)過(guò)一系列數字化調整形成PWM占空比的控制量，以此控制伺服電機的轉動(dòng)速度或速度的變化。
速度閉環(huán)控制主要負責機器人行走速度和除冰時(shí)的速度變化控制。圖2為無(wú)刷直流電機速度電流雙閉環(huán)控制系統。對BLDCM 形成速度閉環(huán)控制時(shí)，通過(guò)光電編碼器檢測電機的轉動(dòng)方向及轉角并反饋回DSP系統。
其中，
為一階慣性環(huán)節的時(shí)間常數
為電機在額定勵磁下的反電動(dòng)勢常數;K1、K2分別為電流和速度反饋的比例系數;K3=R為電機的相電阻;υg為電機給定轉速;υs為電機反饋速度;ig 為速度調節器的輸出，即電流給定值;if為反饋電流;ie為電流誤差信號;Uc為PWM控制信號;Ud為電機直流端電壓;E為電機相反電動(dòng)勢幅值;id為電機相電流;n為電機的真實(shí)轉速。
3系統硬件設計
3.1 相電流檢測
由于功率電子主回路采用兩兩通電方式。任意時(shí)刻電流僅流入三相繞組中的兩相，所以只需1個(gè)相電流檢測傳感器即可完成相電流的檢測。使用旁路電阻檢測各相電流。該電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間，同時(shí)起過(guò)電流保護作用。電阻上的壓降信號經(jīng)過(guò)放大以后，送到TMS320F2407片上的A/D轉換通道，經(jīng)過(guò)A/D轉換得到合適的電流信號。A/D轉換結束以后，A/D轉換模塊會(huì )向CPU發(fā)出中斷請求信號，等待CPU對電流信號的檢測。最后根據電流誤差，在每個(gè)PWM周期開(kāi)始時(shí)，對PWM脈沖的占空比進(jìn)行調節[6]。
3.2 轉子位置與轉速檢測
選用TMS320LF2407A實(shí)現三相無(wú)刷直流電機調速的控制和驅動(dòng)電路。使用3個(gè)位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進(jìn)行處理。檢測3個(gè)捕獲口的狀態(tài)可以得到當前3路位置信號的組合狀態(tài)，從而得到轉子位置。 捕獲口CAP1～CAP3 捕獲到的每一次跳變引發(fā)一次捕獲中斷，轉子每轉過(guò)一轉，產(chǎn)生6次捕獲中斷。通過(guò)測量相鄰2次中斷時(shí)間間隔得出電機轉速。
3.3 驅動(dòng)電路設計
電機控制驅動(dòng)器采用IR2130芯片。IR2130芯片控制6個(gè)功率管導通和關(guān)斷順序，實(shí)現控制電機的正反轉。此驅動(dòng)芯片本身給功率器件提供過(guò)電壓保護。其內部含有邏輯保護電路，當出現對級直通邏輯，芯片立即全部輸出低電平，關(guān)斷所有MOSFET管。另外，功率回路保護器件中有檢測電阻，電流過(guò)大時(shí)，檢測信號經(jīng)過(guò)邏輯判斷，將PDPINT置為低電平，DSP內部計數器停止計數，所有PWM輸出低電平，關(guān)斷驅動(dòng)電路，實(shí)現過(guò)電流保護[7]。
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