基于DSP的覆冰機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

覆冰和積雪等原因時刻威脅著電力及通信網(wǎng)絡(luò)的安全運行[1-4]。覆冰機器人是針對去除輸電線路覆冰的自動化裝置。該機器人需要對行走電機、關(guān)節(jié)電機以及夾抓加緊電機等多種電機進行伺服控制。電機的種類和數(shù)量相對繁多，因此機器人控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜。本文主要研究了覆冰機器人的行走電機伺服控制。行走電機需要帶動機器人在線路上行走，當(dāng)線路有較大覆冰時要帶動除冰刀完成破冰工作。機器人在作業(yè)中，當(dāng)遇到冰層厚不能連續(xù)前進時，自動完成后退，加速前沖，進行斷續(xù)除冰。

行走電機伺服控制采用以電機控制專用芯片TMS320LF2407為核心的全數(shù)字化無刷直流電機控制系統(tǒng)。采用全數(shù)字化控制方式可以有效地避免模擬控制中不穩(wěn)定因素的干擾。由于該機器人工作在強電磁環(huán)境中，因此全數(shù)字化控制方式可以有效地避免電磁干擾。由于直流無刷電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等交流電機的一系列優(yōu)點，又具備高速度、高效率、高動態(tài)響應(yīng)等直流電機的優(yōu)點，因此該系統(tǒng)選擇直流無刷電機作為機器人軸驅(qū)動[5]。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過分析直流電機的運動方程可知，電機加速度與其轉(zhuǎn)矩成正比，而轉(zhuǎn)矩又與其電流成正比，因此，要實現(xiàn)電機的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時對電機的速度、電流以及位置進行檢測和控制。系統(tǒng)中包括位置檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)，分別檢測電機的轉(zhuǎn)速和電流。系統(tǒng)的硬件電路主要包括DSP系統(tǒng)、功率驅(qū)動電路、隔離電路、位置檢測電路和電流檢測電路。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。

2速度閉環(huán)控制

根據(jù)輸入的設(shè)定值和反饋量形成偏差，經(jīng)過一系列數(shù)字化調(diào)整形成PWM占空比的控制量，以此控制伺服電機的轉(zhuǎn)動速度或速度的變化。

速度閉環(huán)控制主要負責(zé)機器人行走速度和除冰時的速度變化控制。圖2為無刷直流電機速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對BLDCM 形成速度閉環(huán)控制時，通過光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)角并反饋回DSP系統(tǒng)。

其中，為速度PI控制的傳遞函數(shù)，KS為速度環(huán)比例系數(shù)，為速度環(huán)時間常數(shù)；為電流PI控制的傳遞函數(shù)，KC為電流環(huán)比例系數(shù)，為PWM控制器的傳遞函數(shù)，KP為放大倍數(shù)，為一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；為電機在額定勵磁下的反電動勢常數(shù)；K1、K2分別為電流和速度反饋的比例系數(shù)；K3=R為電機的相電阻；υg為電機給定轉(zhuǎn)速；υs為電機反饋速度；ig為速度調(diào)節(jié)器的輸出，即電流給定值；if為反饋電流；ie為電流誤差信號；Uc為PWM控制信號；Ud為電機直流端電壓；E為電機相反電動勢幅值；id為電機相電流；n為電機的真實轉(zhuǎn)速。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 相電流檢測

由于功率電子主回路采用兩兩通電方式。任意時刻電流僅流入三相繞組中的兩相，所以只需1個相電流檢測傳感器即可完成相電流的檢測。使用旁路電阻檢測各相電流。該電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間，同時起過電流保護作用。電阻上的壓降信號經(jīng)過放大以后，送到TMS320F2407片上的A/D轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到合適的電流信號。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束以后，A/D轉(zhuǎn)換模塊會向CPU發(fā)出中斷請求信號，等待CPU對電流信號的檢測。最后根據(jù)電流誤差，在每個PWM周期開始時，對PWM脈沖的占空比進行調(diào)節(jié)[6]。

3.2 轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測

選用TMS320LF2407A實現(xiàn)三相無刷直流電機調(diào)速的控制和驅(qū)動電路。使用3個位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉(zhuǎn)子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進行處理。檢測3個捕獲口的狀態(tài)可以得到當(dāng)前3路位置信號的組合狀態(tài)，從而得到轉(zhuǎn)子位置。 捕獲口CAP1～CAP3 捕獲到的每一次跳變引發(fā)一次捕獲中斷，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，產(chǎn)生6次捕獲中斷。通過測量相鄰2次中斷時間間隔得出電機轉(zhuǎn)速。

3.3 驅(qū)動電路設(shè)計

電機控制驅(qū)動器采用IR2130芯片。IR2130芯片控制6個功率管導(dǎo)通和關(guān)斷順序，實現(xiàn)控制電機的正反轉(zhuǎn)。此驅(qū)動芯片本身給功率器件提供過電壓保護。其內(nèi)部含有邏輯保護電路，當(dāng)出現(xiàn)對級直通邏輯，芯片立即全部輸出低電平，關(guān)斷所有MOSFET管。另外，功率回路保護器件中有檢測電阻，電流過大時，檢測信號經(jīng)過邏輯判斷，將PDPINT置為低電平，DSP內(nèi)部計數(shù)器停止計數(shù)，所有PWM輸出低電平，關(guān)斷驅(qū)動電路，實現(xiàn)過電流保護[7]。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序主要完成DSP初始化，流程圖如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序完成速度、電流的調(diào)節(jié)，流程圖如圖4所示。實驗用時鐘頻率為20 MHz，PWM頻率為20 kHz。通過定時器1周期匹配事件啟動A/D轉(zhuǎn)換，使每個PWM周期都進行1次電流采樣，并且要在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序調(diào)節(jié)電流來控制PWM輸出。捕捉中斷程序完成對位置量的計數(shù)和計算速度參考量，程序流程圖如圖5所示。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°角觸發(fā)一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算[8]。

本文應(yīng)用TI公司的TMS320LF2407A DSP 設(shè)計了一種針對覆冰機器人行走和除冰時的直流無刷電機控制系統(tǒng)。經(jīng)分析，該系統(tǒng)不僅成本低、易于實現(xiàn)，且性能穩(wěn)定、方便擴展，對工程實踐和電機調(diào)速具有重要意義。