ＤＳＰ在平行雙輪電動車控制系統中的應用

　　1 引 言

　　2001年，美國發明家Kamen發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。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，將會給以后的產業化進程提出新的挑戰。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，能夠實現軟件包括電動機狀態值的采樣與計算，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，從而減小整個系統的成本。

　　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定，必須施加適當的手段才能使之穩定。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、節省能源等優點。

　　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點：

　　(1)可以實現零半徑轉彎，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和走平路時一樣，重心不發生傾斜，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產品TMS320LF2407A對電機的數字化控制非常有用。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(High Speed)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：

　　(1) 采用高性能靜態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的執行速度(Tempo)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的數據／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：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出現低電平時快速關閉PWM通道；可編程的PWM死區控制以防止上下橋臂同時輸出觸發脈沖；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。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(Tempo)反饋量形成偏差，經速度(Tempo)調節后產生電流參考值，他與電流反饋量的偏差經電流調節后控制PWM脈沖的占空比，實現電動機的速度(Tempo)控制。電流的反饋是通過測量電阻的壓降來實現，速度(Tempo)反饋則是通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經過計算得到的。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，根據光電編碼器和姿態傳感器檢測到的平臺運行的位移和姿態信號，通過一定的控制策略計算出控制量，再經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(Tempo)，從而使車體平臺始終保持平衡狀態。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傳感器來檢測車體平臺的運行姿態。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。控制板采集來自傾角和角速度(Tempo)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，經過DSP的運算處理(控制算法由電動車系統的數學模型推導而出)，通過DSP的兩路PWM將控制信號發出，再經過電機驅動模塊驅動電機運轉，控制小車保持平衡狀態。

　　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(Tempo)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再經過反向放大器U4D進行放大，調節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、數據處理和轉換部分、閉環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初始狀態，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行數據采集并進行平滑濾波處理。閉環控制算法根據閉環極點配置算法進行編程。

　　8 行走仿真

　　經過對控制參數的多次調整，樣車終于能夠比較平穩的行走。樣車在平衡狀態下(速度(Tempo)初始值為零)采集到有關數據，通過軟件處理后生成樣車在直線行走時的速度(Tempo)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(Tempo)曲線首先從零點向正方向變化，且變化的速度(Tempo)很快，然后很快下降到零點，在零點保持一段時間后，速度(Tempo)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(Tempo)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值都比較小。

　　從速度(Tempo)、傾角變化折線圖可以看出：樣車在保持平衡狀態下，其直線行走的速度(Tempo)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律的波動。從上面的變化規律可以看出，樣車處于一個動平衡的狀態，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，完全可以通過一系列的控制手段，較好地實現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設計中，可以實現硬件體積小、系統抗干擾能力強、響應速度(Tempo)快、控制方案靈活等特點。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。（作者：劉慶偉，任 波，林青松 ）