基于DSP的電動車控制系統設計

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