1 引 言
2001年，美國(guó)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(dòng)車作為移動(dòng)平臺(tái)為機(jī)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(jī)器人有很大的相似性，因而對(duì)其運(yùn)動(dòng)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(dòng)車的控制器電路，以C8051F020單片機(jī)為控制核心通過(guò)調(diào)整車體平臺(tái)的運(yùn)行位置，從而使車體平臺(tái)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(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(méi)有考慮初始自平衡的設(shè)計(jì)，將會(huì)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(lái)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(shí)，DSP成為這種應(yīng)用場(chǎng)合的首選器件。TI公司推出的面向運(yùn)動(dòng)控制、電動(dòng)機(jī)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(shè)、大容量的片上存儲(chǔ)器集成在單一芯片上，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件包括電動(dòng)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(hào)的輸出，此外還包括故障檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)的成本。
2 平行雙輪電動(dòng)車的組成
平行雙輪電動(dòng)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(tái)，兩只帶光電編碼器的小型無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)安裝在車體平臺(tái)的下面，通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左、右車輪運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(guò)程中的平衡控制。平行雙輪電動(dòng)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(gè)輪子，因而結(jié)構(gòu)尺寸可以做得較小，轉(zhuǎn)彎時(shí)占用的空間也相對(duì)較小。這一特點(diǎn)使他適用在狹窄和移動(dòng)中需經(jīng)常轉(zhuǎn)彎的空間(如倉(cāng)庫(kù)等)。
(2)三輪或四輪車輛在爬坡時(shí)重心會(huì)發(fā)生傾斜，因而對(duì)坡度有限制。平行雙輪電動(dòng)車在爬坡時(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)車可適應(yīng)更大的爬坡的坡度。
3 TMS320LF2407A
TI 公司的DSP產(chǎn)品TMS320LF2407A對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)控制能力。
(2)片內(nèi)有高達(dá)32 kB的FLASH程序存儲(chǔ)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(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(diào)制(PWM)通道；3個(gè)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(duì)稱和非對(duì)稱波形的輸出；當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時(shí)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(shí)輸出觸發(fā)脈沖；片內(nèi)光電編碼器接口電路用于對(duì)光電編碼器信號(hào)進(jìn)行正反向計(jì)數(shù)。時(shí)間管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。
4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的DSP控制策略
圖2是三相無(wú)刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的速度控制。電流的反饋是通過(guò)測(cè)量電阻的壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(jì)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)車的控制原理
以 TMS320LF2407A為控制核心的運(yùn)動(dòng)控制器，根據(jù)光電編碼器和姿態(tài)傳感器檢測(cè)到的平臺(tái)運(yùn)行的位移和姿態(tài)信號(hào)，通過(guò)一定的控制策略計(jì)算出控制量，再經(jīng)PWM控制及驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨時(shí)調(diào)整車體平臺(tái)的運(yùn)行速度，從而使車體平臺(tái)始終保持平衡狀態(tài)。控制器電路主要由 TMS320LF2407A、電機(jī)驅(qū)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(gòu)成姿態(tài)傳感器來(lái)檢測(cè)車體平臺(tái)的運(yùn)行姿態(tài)。其中，微硅陀螺儀檢測(cè)的是平臺(tái)繞轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率，傾角傳感器檢測(cè)的是平臺(tái)相對(duì)于水平面的傾角。控制板采集來(lái)自傾角和角速度傳感器的信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理(消波、整形、偏移)，然后將信號(hào)傳送到TMS320LF2407A的 ADCIN00和ADCIN01通道中，經(jīng)過(guò)DSP的運(yùn)算處理(控制算法由電動(dòng)車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)而出)，通過(guò)DSP的兩路PWM將控制信號(hào)發(fā)出，再經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制小車保持平衡狀態(tài)。
6 檢測(cè)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(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)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(zhuǎn)彎信號(hào)輸入(保留功能)；1路為電池電量檢測(cè)；其余4路為預(yù)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(fù)反饋電路，假設(shè)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(yùn)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(diào)節(jié)W18使輸出為0～2.4 V，其中D15與D16為過(guò)電壓保護(hù)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(duì)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(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示，包括初始化部分、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)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(shè)置用戶要求的變量和系統(tǒng)初始狀態(tài)，主要完成設(shè)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(zhuǎn)換部分完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行平滑濾波處理。閉環(huán)控制算法根據(jù)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(duì)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(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件處理后生成樣車在直線行走時(shí)的速度變化折線圖，如圖7所示。樣車平臺(tái)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(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，速度曲線又很快向負(fù)方向變化，然后迅速變化到零點(diǎn)，保持一段時(shí)間后，速度曲線重新開(kāi)始新的一個(gè)變化周期。對(duì)應(yīng)于樣車，即樣車向一個(gè)方向很快運(yùn)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(yùn)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(yùn)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?gòu)淖畹忘c(diǎn)上升到最高點(diǎn)，如此周而復(fù)始，其最高點(diǎn)和最低點(diǎn)傾角絕對(duì)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(gè)比較窄的范圍內(nèi)繞零點(diǎn)周期性地變動(dòng)，也就是說(shuō)，樣車在有規(guī)律地做往返振蕩運(yùn)動(dòng)；樣車?yán)@輪軸的傾角圍繞零點(diǎn)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)做有規(guī)律的波動(dòng)。從上面的變化規(guī)律可以看出，樣車處于一個(gè)動(dòng)平衡的狀態(tài)，因此可以得出這樣的結(jié)論：控制系統(tǒng)的建模和控制器的設(shè)計(jì)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(xiàn)平行雙輪電動(dòng)車的行走。
9 結(jié) 語(yǔ)
本文針對(duì)平行雙輪電動(dòng)車的技術(shù)要求和具體特點(diǎn)，以美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A作為控制核心，將DSP芯片運(yùn)用于平行雙輪電動(dòng)車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)硬件體積小、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、控制方案靈活等特點(diǎn)。對(duì)其后續(xù)的研究工作，如電機(jī)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(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，具有深遠(yuǎn)的意義。