基于DSP單片機在電動(dòng)車(chē)控制系統設計

1 引 言
2001年，美國發(fā)明家Kamen發(fā)明了一種新型的方便快捷的兩輪交通工具“Segway”，行走平衡控制技術(shù)成為全球機器人控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。以平行雙輪電動(dòng)車(chē)作為移動(dòng)平臺為機器人的研究提供了技術(shù)支持，同時(shí)由于他的行為與火箭飛行和兩足機器人有很大的相似性，因而對其運動(dòng)平衡控制研究具有重大的理論和實(shí)際意義。文獻[2]介紹了平行雙輪電動(dòng)車(chē)的控制器電路，以C8051F020單片機為控制核心通過(guò)調整車(chē)體平臺的運行位置，從而使車(chē)體平臺始終保持平衡狀態(tài)。然而其并沒(méi)有考慮載人、載物的因素以及轉向和特殊路面、打滑等方面。再者，作為一種交通工具，由于沒(méi)有考慮初始自平衡的設計，將會(huì )給以后的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提出新的挑戰。因此需要尋找控制方法、原理均不同的其他控制理論來(lái)設計，如模糊控制、智能控制等。
一般的單片或多片微處理器不能滿(mǎn)足復雜、先進(jìn)的控制算法時(shí)，DSP成為這種應用場(chǎng)合的首選器件。TI公司推出的面向運動(dòng)控制、電動(dòng)機控制的TMS320x24xx系例DSP 控制器，把一個(gè)16位的定點(diǎn)DSP核和用于控制的外設、大容量的片上存儲器集成在單一芯片上，能夠實(shí)現軟件包括電動(dòng)機狀態(tài)值的采樣與計算，控制算法的實(shí)施以及PWM信號的輸出，此外還包括故障檢測與保護、數據交換與通信等。與單片機相比，在電機控制系統設計中，采用TMS320LF2407A具有更有效的控制能力，從而減小整個(gè)系統的成本。
2 平行雙輪電動(dòng)車(chē)的組成
平行雙輪電動(dòng)車(chē)像倒立擺一樣本身不能自然保持穩定，必須施加適當的手段才能使之穩定。他主要由車(chē)體平臺，兩只帶光電編碼器的小型無(wú)刷直流電機，左、右車(chē)輪和只有在靜止狀態(tài)才起作用的兩只保護導向輪組成。兩只無(wú)刷直流電機安裝在車(chē)體平臺的下面，通過(guò)齒輪減速機構分別獨立驅動(dòng)左、右車(chē)輪運動(dòng)，具有尺寸小、操作靈活、節省能源等優(yōu)點(diǎn)。

平行雙輪電動(dòng)車(chē)的行走機構如圖1所示，是一種兩輪同軸左右平行布置、獨立驅動(dòng)的結構，其行走機構控制的關(guān)鍵是兩輪行走機構在行走過(guò)程中的平衡控制。平行雙輪電動(dòng)車(chē)行走機構要求具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)可以實(shí)現零半徑轉彎，具有極強的靈活性。由于只有兩個(gè)輪子，因而結構尺寸可以做得較小，轉彎時(shí)占用的空間也相對較小。這一特點(diǎn)使他適用在狹窄和移動(dòng)中需經(jīng)常轉彎的空間(如倉庫等)。
(2)三輪或四輪車(chē)輛在爬坡時(shí)重心會(huì )發(fā)生傾斜，因而對坡度有限制。平行雙輪電動(dòng)車(chē)在爬坡時(shí)上體姿態(tài)和走平路時(shí)一樣，重心不發(fā)生傾斜，所以平行雙輪電動(dòng)車(chē)可適應更大的爬坡的坡度。

3 TMS320LF2407A
TI 公司的DSP產(chǎn)品TMS320LF2407A對電機的數字化控制非常有用。他將幾種先進(jìn)外設集成在芯片內，以形成真正的單芯片控制器，從而將DSP的高速運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，是目前最具競爭力的數字電機控制器。TMS320LF2407A主要特點(diǎn)：
(1) 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗；30 MIPS的執行速度使得指令周期縮短到33 ns(30 MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。
(2)片內有高達32 kB的FLASH程序存儲器，高達1.5 kB的數據／程序RAM，544 B雙口RAM(DARAM)和2 kB的單口RAM(SARAM)。
(3) 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，分別提供兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調制(PWM)通道；3個(gè)捕獲單元；10位的16通道A／D轉換器。他們能夠實(shí)現：三相反相器控制；PWM的對稱(chēng)和非對稱(chēng)波形的輸出；當外部引腳PDPINTx出現低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；片內光電編碼器接口電路用于對光電編碼器信號進(jìn)行正反向計數。時(shí)間管理器模塊適用于控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機、開(kāi)關(guān)磁阻電機、步進(jìn)電機、多級電機和逆變器。
4 無(wú)刷直流電動(dòng)機的DSP控制策略

圖2是三相無(wú)刷直流電動(dòng)機調速控制框圖。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調節后產(chǎn)生電流參考值，他與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調節后控制PWM脈沖的占空比，實(shí)現電動(dòng)機的速度控制。電流的反饋是通過(guò)測量電阻的壓降來(lái)實(shí)現，速度反饋則是通過(guò)霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過(guò)計算得到的。位置傳感器輸出的位置還用于控制換相。