DSP在平行雙輪電動車控制系統(tǒng)中的應用

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”，行走平衡控制技術成為全球機器人控制技術的研究熱點。以平行雙輪電動車作為移動平臺為機器人的研究提供了技術支持，同時由于他的行為與火箭飛行和兩足機器人有很大的相似性，因而對其運動平衡控制研究具有重大的理論和實際意義。文獻[2]介紹了平行雙輪電動車的控制器電路，以C8051F020單片機為控制核心通過調整車體平臺的運行位置，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)。然而其并沒有考慮載人、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，由于沒有考慮初始自平衡的設計，將會給以后的產(chǎn)業(yè)化進程提出新的挑戰(zhàn)。因此需要尋找控制方法、原理均不同的其他控制理論來設計，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足復雜、先進的控制算法時，DSP成為這種應用場合的首選器件。TI公司推出的面向運動控制、電動機控制的TMS320x24xx系例DSP控制器，把一個16位的定點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，能夠實現(xiàn)軟件包括電動機狀態(tài)值的采樣與計算，控制算法的實施以及PWM信號的輸出，此外還包括故障檢測與保護、數(shù)據(jù)交換與通信等。與單片機相比，在電機控制系統(tǒng)設計中，采用TMS320LF2407A具有更有效的控制能力，從而減小整個系統(tǒng)的成本。

2 平行雙輪電動車的組成

平行雙輪電動車像倒立擺一樣本身不能自然保持穩(wěn)定，必須施加適當?shù)氖侄尾拍苁怪€(wěn)定。他主要由車體平臺，兩只帶光電編碼器的小型無刷直流電機，左、右車輪和只有在靜止狀態(tài)才起作用的兩只保護導向輪組成。兩只無刷直流電機安裝在車體平臺的下面，通過齒輪減速機構分別獨立驅動左、右車輪運動，具有尺寸小、操作靈活、節(jié)省能源等優(yōu)點。

平行雙輪電動車的行走機構如圖1所示，是一種兩輪同軸左右平行布置、獨立驅動的結構，其行走機構控制的關鍵是兩輪行走機構在行走過程中的平衡控制。平行雙輪電動車行走機構要求具有如下優(yōu)點：

(1)可以實現(xiàn)零半徑轉彎，具有極強的靈活性。由于只有兩個輪子，因而結構尺寸可以做得較小，轉彎時占用的空間也相對較小。這一特點使他適用在狹窄和移動中需經(jīng)常轉彎的空間(如倉庫等)。

(2)三輪或四輪車輛在爬坡時重心會發(fā)生傾斜，因而對坡度有限制。平行雙輪電動車在爬坡時上體姿態(tài)和走平路時一樣，重心不發(fā)生傾斜，所以平行雙輪電動車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(shù)字化控制非常有用。他將幾種先進外設集成在芯片內，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(shù)字電機控制器。TMS320LF2407A主要特點：

(1) 采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗；30 MIPS的執(zhí)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時控制能力。

(2)片內有高達32 kB的FLASH程序存儲器，高達1.5 kB的數(shù)據(jù)／程序RAM，544 B雙口RAM(DARAM)和2 kB的單口RAM(SARAM)。

(3)兩個事件管理器模塊EVA和EVB，分別提供兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調制(PWM)通道；3個捕獲單元；10位的16通道A／D轉換器。他們能夠實現(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形的輸出；當外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(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行正反向計數(shù)。時間管理器模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

4 無刷直流電動機的DSP控制策略

圖2是三相無刷直流電動機調速控制框圖。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調節(jié)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(jié)后控制PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電動機的速度控制。電流的反饋是通過測量電阻的壓降來實現(xiàn)，速度反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過計算得到的。位置傳感器輸出的位置還用于控制換相。

5 平行雙輪電動車的控制原理

以TMS320LF2407A為控制核心的運動控制器，根據(jù)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，通過一定的控制策略計算出控制量，再經(jīng)PWM控制及驅動器放大后驅動無刷直流電動機運轉，隨時調整車體平臺的運行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)。控制器電路主要由TMS320LF2407A、電機驅動芯片、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)傳感器來檢測車體平臺的運行姿態(tài)。其中，微硅陀螺儀檢測的是平臺繞轉動輪軸轉動的角速率，傾角傳感器檢測的是平臺相對于水平面的傾角?？刂瓢宀杉瘉碜詢A角和角速度傳感器的信號并對信號進行調理(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DSP的運算處理(控制算法由電動車系統(tǒng)的數(shù)學模型推導而出)，通過DSP的兩路PWM將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過電機驅動模塊驅動電機運轉，控制小車保持平衡狀態(tài)。

6 檢測電路的工作原理

考慮到來自輸入的噪聲干擾等因素，要對傳感器的輸出電壓進行調理。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)過反向放大器U4D進行放大，調節(jié)W18使輸出為0～2.4 V，其中D15與D16為過電壓保護電路。

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這個精度比較高的電壓進行放大來提供。

7 軟件設計

軟件設計框圖如圖6所示，包括初始化部分、數(shù)據(jù)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要求的變量和系統(tǒng)初始狀態(tài)，主要完成設置系統(tǒng)寄存器初值、建立中斷、外圍部分初始化的工作。數(shù)據(jù)處理和轉換部分完成對輸入信號進行數(shù)據(jù)采集并進行平滑濾波處理。閉環(huán)控制算法根據(jù)閉環(huán)極點配置算法進行編程。

8 行走仿真

經(jīng)過對控制參數(shù)的多次調整，樣車終于能夠比較平穩(wěn)的行走。樣車在平衡狀態(tài)下(速度初始值為零)采集到有關數(shù)據(jù)，通過軟件處理后生成樣車在直線行走時的速度變化折線圖，如圖7所示。樣車平臺繞輪軸的傾角變化折線圖如圖8所示。

由圖7可以看出，速度曲線首先從零點向正方向變化，且變化的速度很快，然后很快下降到零點，在零點保持一段時間后，速度曲線又很快向負方向變化，然后迅速變化到零點，保持一段時間后，速度曲線重新開始新的一個變化周期。對應于樣車，即樣車向一個方向很快運動，然后迅速停止，保持一定時間后，又向另一個方向很快運動，然后迅速停止，保持一定時間后，再開始一個新的運動周期。

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

從速度、傾角變化折線圖可以看出：樣車在保持平衡狀態(tài)下，其直線行走的速度在一個比較窄的范圍內繞零點周期性地變動，也就是說，樣車在有規(guī)律地做往返振蕩運動；樣車繞輪軸的傾角圍繞零點在一個較小的范圍內做有規(guī)律的波動。從上面的變化規(guī)律可以看出，樣車處于一個動平衡的狀態(tài)，因此可以得出這樣的結論：控制系統(tǒng)的建模和控制器的設計是合理有效的，完全可以通過一系列的控制手段，較好地實現(xiàn)平行雙輪電動車的行走。

9 結 語

本文針對平行雙輪電動車的技術要求和具體特點，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車的控制系統(tǒng)設計中，可以實現(xiàn)硬件體積小、系統(tǒng)抗干擾能力強、響應速度快、控制方案靈活等特點。對其后續(xù)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(wěn)性，具有深遠的意義。