DSP在平行雙輪電動(dòng)車(chē)控制系統中的應用

　　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。

　　5 平行雙輪電動(dòng)車(chē)的控制原理

　　以TMS320LF2407A為控制核心的運動(dòng)控制器，根據光電編碼器和姿態(tài)傳感器檢測到的平臺運行的位移和姿態(tài)信號，通過(guò)一定的控制策略計算出控制量，再經(jīng)PWM控制及驅動(dòng)器放大后驅動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機運轉，隨時(shí)調整車(chē)體平臺的運行速度，從而使車(chē)體平臺始終保持平衡狀態(tài)?？刂破麟娐分饕蒚MS320LF2407A、電機驅動(dòng)芯片、電池模塊以及外圍電路組成。其控制電路原理框圖如圖3所示。

　　采用微硅陀螺儀和傾角傳感器的組合構成姿態(tài)傳感器來(lái)檢測車(chē)體平臺的運行姿態(tài)。其中，微硅陀螺儀檢測的是平臺繞轉動(dòng)輪軸轉動(dòng)的角速率，傾角傳感器檢測的是平臺相對于水平面的傾角?？刂瓢宀杉瘉?lái)自?xún)A角和角速度傳感器的信號并對信號進(jìn)行調理(消波、整形、偏移)，然后將信號傳送到TMS320LF2407A的ADCIN00和ADCIN01通道中，經(jīng)過(guò)DSP的運算處理(控制算法由電動(dòng)車(chē)系統的數學(xué)模型推導而出)，通過(guò)DSP的兩路PWM將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過(guò)電機驅動(dòng)模塊驅動(dòng)電機運轉，控制小車(chē)保持平衡狀態(tài)。

　　6 檢測電路的工作原理
　
　　考慮到來(lái)自輸入的噪聲干擾等因素，要對傳感器的輸出電壓進(jìn)行調理。相同的輸入電路共有8路(1路為傾角傳感器輸入電路；1路為角速度傳感器輸入電路；1路為小車(chē)駕駛者的轉彎信號輸入(保留功能)；1路為電池電量檢測；其余4路為預留電路)，下面僅就其中1路加以說(shuō)明。電路圖如圖4所示。

　　其中U4C為多端輸入的電壓并聯(lián)負反饋電路，假設偏置電壓與傳感器輸入電壓分別為V1，V2，則：

　　由此得：

　　這里取R31=R15=R16，所以有V8=-(V1+V2)，即：基本運算電路中的反相加法電路。然后將其輸出電壓V8再經(jīng)過(guò)反向放大器U4D進(jìn)行放大，調節W18使輸出為0～2.4 V，其中D15與D16為過(guò)電壓保護電路。

　　圖5為偏置電壓產(chǎn)生電路，VREF1P，VREF1N為圖4中的偏置電壓的輸入端，由于偏置電壓值要求比較高，所以選用TL074對CPUREF這個(gè)精度比較高的電壓進(jìn)行放大來(lái)提供。

　　7 軟件設計

　　軟件設計框圖如圖6所示，包括初始化部分、數據處理和轉換部分、閉環(huán)控制算法以及控制量輸出部分等。初始化程序設置用戶(hù)要求的變量和系統初始狀態(tài)，主要完成設置系統寄存器初值、建立中斷、外圍部分初始化的工作。數據處理和轉換部分完成對輸入信號進(jìn)行數據采集并進(jìn)行平滑濾波處理。閉環(huán)控制算法根據閉環(huán)極點(diǎn)配置算法進(jìn)行編程。

　　8 行走仿真

　　經(jīng)過(guò)對控制參數的多次調整，樣車(chē)終于能夠比較平穩的行走。樣車(chē)在平衡狀態(tài)下(速度初始值為零)采集到有關(guān)數據，通過(guò)軟件處理后生成樣車(chē)在直線(xiàn)行走時(shí)的速度變化折線(xiàn)圖，如圖7所示。樣車(chē)平臺繞輪軸的傾角變化折線(xiàn)圖如圖8所示。

　　由圖7可以看出，速度曲線(xiàn)首先從零點(diǎn)向正方向變化，且變化的速度很快，然后很快下降到零點(diǎn)，在零點(diǎn)保持一段時(shí)間后，速度曲線(xiàn)又很快向負方向變化，然后迅速變化到零點(diǎn)，保持一段時(shí)間后，速度曲線(xiàn)重新開(kāi)始新的一個(gè)變化周期。對應于樣車(chē)，即樣車(chē)向一個(gè)方向很快運動(dòng)，然后迅速停止，保持一定時(shí)間后，又向另一個(gè)方向很快運動(dòng)，然后迅速停止，保持一定時(shí)間后，再開(kāi)始一個(gè)新的運動(dòng)周期。

　　由圖8可以看出，傾角首先從零點(diǎn)上升到最大點(diǎn)，然后下降到最低點(diǎn)，再從最低點(diǎn)上升到最高點(diǎn)，如此周而復始，其最高點(diǎn)和最低點(diǎn)傾角絕對數值都比較小。

　　從速度、傾角變化折線(xiàn)圖可以看出：樣車(chē)在保持平衡狀態(tài)下，其直線(xiàn)行走的速度在一個(gè)比較窄的范圍內繞零點(diǎn)周期性地變動(dòng)，也就是說(shuō)，樣車(chē)在有規律地做往返振蕩運動(dòng)；樣車(chē)繞輪軸的傾角圍繞零點(diǎn)在一個(gè)較小的范圍內做有規律的波動(dòng)。從上面的變化規律可以看出，樣車(chē)處于一個(gè)動(dòng)平衡的狀態(tài)，因此可以得出這樣的結論：控制系統的建模和控制器的設計是合理有效的，完全可以通過(guò)一系列的控制手段，較好地實(shí)現平行雙輪電動(dòng)車(chē)的行走。

　　9 結 語(yǔ)

　　本文針對平行雙輪電動(dòng)車(chē)的技術(shù)要求和具體特點(diǎn)，以美國TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A作為控制核心，將DSP芯片運用于平行雙輪電動(dòng)車(chē)的控制系統設計中，可以實(shí)現硬件體積小、系統抗干擾能力強、響應速度快、控制方案靈活等特點(diǎn)。對其后續的研究工作，如電機的控制可以引入多種控制策略，以求得到更好的控制性能、精度和轉矩的平穩性，具有深遠的意義。