`摘 要：通過對平行雙輪電動車結構的闡述，介紹了控制系統(tǒng)的構成和工作原理，以及對無刷電動機的控制，并對系統(tǒng)的軟件設計做了介紹。在平行雙輪電動車控制系統(tǒng)中采用DSP芯片進行開發(fā)設計，不僅可以完成電動機驅(qū)動及保護的功能，而且大大提高了處理數(shù)據(jù)的效率，使驅(qū)動性能更加穩(wěn)定。

關鍵詞：平行雙輪電動車;DSP;TMS320LF2407A;無刷直流電動機

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0315103

Application of DSP in Coaxial Two—wheeled Electric Vehicles

LIU Qingwei1，REN Bo1，LIN Qingsong2

(1.Luoyang College of Technology，Luoyang，471003，China;

2.Electronic Information Engineering College，Henan University of Science Technology，Luoyang，471003，China)

Abstract：By elaborating the structure of coaxial two—wheeled electric vehicle，this article introduces the structure and working principles of the control system，the control of Brushless DC motor (BLDC)，and the design of system′s software.Using the DSP chip in the control system of coaxial two—wheeled electric vehicle not only realizes the functions of motor driving and protection，but also greatly raises the efficiency of data processing and makes the driving performance more stable. Keywords：coaxial two—wheeled electric vehicle;DSP;TMS320LF2407A;BLDC

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”，行走平衡控制技術成為全球機器人控制技術的研究熱點[1]。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(diào)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[3]。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?qū)崿F(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[4]。

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(qū)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(qū)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。

圖1 平行雙輪電動車行走機構

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(nèi)，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(nèi)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(diào)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?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(nèi)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[5]。

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(diào)速控制框圖。給定轉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[6]。

圖2 三相無刷直流電動機調(diào)速控制原理框圖

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(qū)動器放大后驅(qū)動無刷直流電動機運轉，隨時調(diào)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)?？刂破麟娐分饕蒚MS320LF2407A、電機驅(qū)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。

圖3 控制器電路原理框圖

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。控制板采集來自傾角和角速度傳感器的信號并對信號進行調(diào)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)[7—9]，通過DSP的兩路PWM將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過電機驅(qū)動模塊驅(qū)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(diào)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(diào)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4 電壓整形電路

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。

圖5 偏置電壓產(chǎn)生電路

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。

圖6 控制程序流程圖

8 行走仿真

經(jīng)過對控制參數(shù)的多次調(diào)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。

圖7 速度變化折線圖

圖8 傾角變化折線圖

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(nèi)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(nèi)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。

參考文獻

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[9]Jiang Bentie，Leng Keping.Design of Linear Controller to Stabilize Uncertain Linear Systems with State Feedback[J].Control and Decision，2000，15(2).

作者簡介 劉慶偉 男，1973年出生，河南洛陽人，講師，碩士。主要研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)。

任波男，1979年出生，河南洛陽人，碩士。主要研究方向為嵌入式控制系統(tǒng)。

林青松男，1935年出生，河南洛陽人，碩士，副教授。主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)，控制理論與控制工程。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。