基于DSP單片機(jī)在電動車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)器人控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。以平行雙輪電動車作為移動平臺為機(jī)器人的研究提供了技術(shù)支持，同時由于他的行為與火箭飛行和兩足機(jī)器人有很大的相似性，因而對其運(yùn)動平衡控制研究具有重大的理論和實(shí)際意義。文獻(xiàn)[2]介紹了平行雙輪電動車的控制器電路，以C8051F020單片機(jī)為控制核心通過調(diào)整車體平臺的運(yùn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)，將會給以后的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(shè)計(jì)，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(fù)雜、先進(jìn)的控制算法時，DSP成為這種應(yīng)用場合的首選器件。TI公司推出的面向運(yùn)動控制、電動機(jī)控制的TMS320x24xx系例DSP 控制器，把一個16位的定點(diǎn)DSP核和用于控制的外設(shè)、大容量的片上存儲器集成在單一芯片上，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件包括電動機(jī)狀態(tài)值的采樣與計(jì)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(hù)、數(shù)據(jù)交換與通信等。與單片機(jī)相比，在電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)?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(jī)，左、右車輪和只有在靜止?fàn)顟B(tài)才起作用的兩只保護(hù)導(dǎo)向輪組成。兩只無刷直流電機(jī)安裝在車體平臺的下面，通過齒輪減速機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立驅(qū)動左、右車輪運(yùn)動，具有尺寸小、操作靈活、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。

平行雙輪電動車的行走機(jī)構(gòu)如圖1所示，是一種兩輪同軸左右平行布置、獨(dú)立驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，其行走機(jī)構(gòu)控制的關(guān)鍵是兩輪行走機(jī)構(gòu)在行走過程中的平衡控制。平行雙輪電動車行走機(jī)構(gòu)要求具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)可以實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，具有極強(qiáng)的靈活性。由于只有兩個輪子，因而結(jié)構(gòu)尺寸可以做得較小，轉(zhuǎn)彎時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中需經(jīng)常轉(zhuǎn)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(yīng)更大的爬坡的坡度。

3 TMS320LF2407A
TI 公司的DSP產(chǎn)品TMS320LF2407A對電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用。他將幾種先進(jìn)外設(shè)集成在芯片內(nèi)，以形成真正的單芯片控制器，從而將DSP的高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)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(jī)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(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(shí)時控制能力。
(2)片內(nèi)有高達(dá)32 kB的FLASH程序存儲器，高達(dá)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(diào)制(PWM)通道；3個捕獲單元；10位的16通道A／D轉(zhuǎn)換器。他們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形的輸出；當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關(guān)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(nèi)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(jì)數(shù)。時間管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。
4 無刷直流電動機(jī)的DSP控制策略

圖2是三相無刷直流電動機(jī)調(diào)速控制框圖。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調(diào)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(diào)節(jié)后控制PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過測量電阻的壓降來實(shí)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(jì)算得到的。位置傳感器輸出的位置還用于控制換相。