基于DSP的覆冰機器人控制系統研究

基于DSP的覆冰機器人控制系統研究??

DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數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，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據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絡的安全運行[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、關節電機以及夾抓加緊電機等多種電機進行伺服控制。電機的種類和數量相對繁多，因此機器人控制系統相對比較復雜。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。機器人在作業中，當遇到冰層厚不能連續前進時，自動完成后退，加速前沖，進行斷續除冰。

　　行走電機伺服控制采用以電機控制專用芯片TMS320LF2407為核心的全數字化無刷直流電機控制系統。采用全數字化控制方式可以有效地避免模擬控制中不穩定因素的干擾。由于該機器人工作在強電磁環境中，因此全數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構簡單、運行可靠等交流電機的一系列優點，又具備高速度、高效率、高動態響應等直流電機的優點，因此該系統選擇直流無刷電機作為機器人軸驅動[5]。

　　1 控制系統總體結構設計

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

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

　　2速度閉環控制

　　根據輸入的設定值和反饋量形成偏差，經過一系列數字化調整形成PWM占空比的控制量，以此控制伺服電機的轉動速度或速度的變化。

　　速度閉環控制主要負責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控制系統。對BLDCM 形成速度閉環控制時，通過光電編碼器檢測電機的轉動方向及轉角并反饋回DSP系統。

　　其中，

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為一階慣性環節的時間常數

為電機在額定勵磁下的反電動勢常數；K1、K2分別為電流和速度反饋的比例系數；K3=R為電機的相電阻；υg為電機給定轉速；υs為電機反饋速度；ig為速度調節器的輸出，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為電機的真實轉速。

　　3系統硬件設計

　　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過放大以后，送到TMS320F2407片上的A/D轉換通道，經過A/D轉換得到合適的電流信號。A/D轉換結束以后，A/D轉換模塊會向CPU發出中斷請求信號，等待CPU對電流信號的檢測。最后根據電流誤差，在每個PWM周期開始時，對PWM脈沖的占空比進行調節[6]。

　　3.2 轉子位置與轉速檢測

　　選用TMS320LF2407A實現三相無刷直流電機調速的控制和驅動電路。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個捕獲口的狀態可以得到當前3路位置信號的組合狀態，從而得到轉子位置。 捕獲口CAP1～CAP3 捕獲到的每一次跳變引發一次捕獲中斷，轉子每轉過一轉，產生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速。

　　3.3 驅動電路設計

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

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　　4系統軟件設計

　　主程序主要完成DSP初始化，流程圖如圖3所示。A/D轉換中斷子程序完成速度、電流的調節，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轉換，使每個PWM周期都進行1次電流采樣，并且要在A/D轉換中斷處理程序調節電流來控制PWM輸出。捕捉中斷程序完成對位置量的計數和計算速度參考量，程序流程圖如圖5所示。轉子每轉過60°角觸發一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算[8]。

　　本文應用TI公司的TMS320LF2407A DSP 設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。經分析，該系統不僅成本低、易于實現，且性能穩定、方便擴展，對工程實踐和電機調速具有重要意義。
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