基于DSP的電動車控制系統設計

圖2是三相無刷直流電動機調速控制框圖。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經速度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，實現電動機的速度控制。電流的反饋是通過測量電阻的壓降來實現，速度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，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下，其直線行走的速度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。