基于DSP的電動車控制系統(tǒng)設計

圖2是三相無刷直流電動機調(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。

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(zhuǎn)，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?TMS320LF2407A、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。

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(zhuǎn)動輪軸轉(zhuǎn)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?？刂瓢宀杉瘉碜詢A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)，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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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。

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(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(zhuǎn)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。

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。

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(jié)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(jié) 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(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，具有深遠的意義。