基于dsp小型地面移動機器人運動控制系統設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 對應繞組流過的電流波形。功率開關管導通方式如圖 25所示。 Q 1Q 6Q 4Q 3 Q 5Q 2ABC+ 圖 23 電機全橋驅動方式 電路圖 tt t I a E a I b I c I c Eb EE 圖 24 無刷直流電機反電勢和電流波形圖 wtwtwtwtwtwtT1T2T3T4T5T6141636325254 圖 25 三相六狀態 120176。導通方式 第二章 控制系統總體概述 7 電機運行過程中，電子換相的關鍵在于：當檢測到當前轉子位置變化的同時，查詢換相邏輯表，并開通下一位置狀態所對應的功率電子開關組合。表 22列出了電機正傳和反轉時三相逆變器的導通順序。 表 22 電機全橋驅動的通電規律 通電順序 正傳（逆時針） 反轉（順時針） 轉子位置（電角度） 0 60 60 120 120 180 180 240 240 300 300 360 360 300 240 300 180 240 120 180 60 120 0 60 開關管 1， 4 1， 6 3， 6 3， 2 5， 2 5， 4 3， 6 1， 6 1， 4 5， 4 5， 2 3， 2 A 相 + + + + B 相 + + + + C 相 + + + + 注：表中“ +”表示正向通電，“ ” 表示反向通電。 根據每個導通狀態 PWM 作用管子數目的不同，把 PWM 調制 分成“單斬”和 “雙斬” 兩種 方式 。 采用單斬 PWM 方式對無刷直流電動機進行控制時，流過電機繞組的最大電流波動值是雙斬 PWM 方式下的一半 。 并且， 在本設計中由于采用電流閉環控制實現對無刷直流電機的轉矩控制，當電流波動較大時電機會出現抖動的現象。因此為了減小流過電機的電流脈動和功率管的開關損耗，設計中采用上橋臂直通、下橋臂單斬方式對無刷直流電動機進行調節控制。 無刷直流電機的數學模型 現在 僅 以“ 120176。導通型”電機為例，對 與電動機驅動相關的電磁轉矩和轉速特性進行研究分析：對于星形連接的三相無刷直流電機，在理想條件下， 任何時刻只有兩相繞組通電導通。導通的兩相電流 和兩相反電動勢 大小 都分別 相等但方向相反。無刷直流電機的電磁轉矩方程為： rccbbaapem ieieieNT ?/)( ??? (21) 式中， emT 為電機的電磁轉矩 ， pN 為電機極對數， 、ae 、be ce 為三相繞組瞬時電勢，cba iii 、 為三相繞組瞬時電流， r? 為電機轉子角速度。 在理想情況下，由于任何時刻定子繞組只有兩相導通， 不導通相的電流等于零。 則電磁功率又可表示為： mmpccbbaape IENieieieNP 2)( ???? (22) 式中， mE 為每相反電動勢， mI 為逆變器直流側電流，則電磁轉矩又可表示為： rmmpreem IENPT ?? /2/ ?? (23) 第二章 控制系統總體概述 8 考慮到定子每相繞組的反電動勢正比于轉子角速度，即： rem KE ?? (24) 式中， eK 為電勢常數。將 (24)代入 (23)，則電磁轉矩可表示為： mTmepem IKIKNT ?? 2 (25) 其中， epT KNK 2? 為轉矩常數。 在忽略永磁體阻尼的情況下，轉子運動方程表示為： )( Lempr TTNdtdJ ??? (26) 式中， LT 為負載轉矩， J 為電機轉動慣量。 由式 (24)可以得出電機的轉速方程： emeT see msemr TKK RKUK IRUKE 22 ?????? (27) 式中， U 為電機繞組兩端的等效電壓值， sR 為電機各相繞組電阻值， RU 為電樞繞組的電阻壓降， LU 為繞組電感壓降。 從上公式 (25) (27)可以 看 出： （ 1）無刷直流電機輸出電磁轉矩與逆變器直流側電流值為常系數關系，調節逆變器直流側電流的大小可實現電機輸出轉矩調節； （ 2）當逆變器直流側電流恒定不變，即電機的輸出電磁轉矩恒定時，電機轉速與電機繞組兩端所加等效直流電壓值成正比，調節電機繞組兩端所加等效直流電壓值 U 可實現電機的調速控制。 圖 26 是利用開關管 進行 PWM 調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。 MTt 1 t 2tt0UiUsD 2D 1UsUi （ a） 原理圖 （ b） 輸入 /輸出電壓波形圖 圖 26 PWM 調速控制原理和電壓波形圖 第二章 控制系統總體概述 9 電機電樞繞組兩端的電壓平均值 U 為： SSS UUTtttUtU ???? ?? 1211 0 (28) Tt1?? (29) 式中， ? 是占空比。改變 ? 的值即可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是電機的 PWM 調速原理。在 PWM 調速時， 占空比 ? 是一個重要的參數。由上式及 21 ttT ?? 可知， 以下 三種方法可以改變占空比 ? 的值： （ 1）定頻調寬法 ： 保持開關周期 T 不變，調節開關導通時間 1t . （ 2）定寬調頻法 ：保持開關導通時間 1t 不變，改變開關周期 T。 （ 3）調寬調頻法 ： 1t 和 T 都可調，使占空比改變。 本章小結： 本章主要 闡明了移動機器人運動控制系統的 總 體結構， 討論了電機的選型， 無刷直流 電機的結構 、 工作原理 及數學模型 ， 簡要介紹了 無刷 直流 電機的控制方法 。第三 章 控制系統硬件電路 設計 10 第三章 控制系統 硬件電路設計 控制系統 電源設計 設計電源時要考慮的因素 有 ： 輸出的電壓、電流、功率 ； 輸入的電壓、電流；安全因素；輸出紋波； 電磁兼容和 干擾；體積 和 功耗 限制； 成本限制 等 。 控制系統中，電源 不穩定是系統 很大 的干擾源。電源在開關時產生的電源噪聲沿著電源線傳播，或 在 芯片 狀態發生改變時，電源功耗的變化均會在電源和地線之間產生噪聲。 因此在電源 電路 設計 中，要 在 48V 電源信號的電源線和地線之間并聯一個大電解電容；在每個集成電路的電源端并聯一個 去耦電容濾除電源波動在芯片電源引腳引起的電壓擾動，降低電流沖擊的峰值， 防止因為電源耦合造成元器件不能正常工作。 數字電路中典型的去耦電容值是 。 考慮到機器人重量和行程限制， 且 便于給直流電機供電， 整個控制系統使用 4 塊 天能 6DZM12 型 蓄電池 串聯 供電 。 天能電池容量大、比能量高 、 自放電率低 、 循環壽命長 、 安全可靠 。 6DZM12 電池參數見表 31。 表 31 天能 6DZM12 型蓄 電池參數 表 標稱電壓 12V 額定容量 12HR 參考重量 尺寸（長） 151mm 尺寸（寬） 99mm 尺寸（高） 95mm 驅動板電源設計 由于驅動板上的驅動芯片需要 +15V 的電壓和較大的驅動電流，其電源 還要與 DSP 控制 板 電源隔離，因此專門為其設計了電源。經過仔細比較各電源芯片，最后選定了 和 LM2576HV15 作為電源芯片。 圖 31 為 LM2576的典型應用電路。 + V I N1O U T P U T2GND3F E E D B A C K4ON/OFF5U1L M 2 57 6 D11 N 58 2 2L11 00 u HC21 00 0 u FC11 00 u FV C C 48GGNDGGND GGNDGGNDGGNDV C C 15 / V C C 5 圖 31 LM2576 的典型應用電路 第三 章 控制系統硬件電路 設計 11 LM2576 系列 穩壓器是單片集成電路，能夠提供降壓開關（ BUCK）的各種功能，能驅動 3A 的負載，有優異的線性和負載調整能力。這些穩壓器的內部都含有頻率補償器和固定頻率振蕩器，將其外部元件減到最少，大大簡化了電源的設計。 當使用 LM2576HV15 時可輸出 15V 電壓 ， 而使用 就可輸出5V 電壓，完全能夠滿足驅動板的供電需求。使用時輸入 端 接 48V 直流電壓，其輸出電流可以達到 3A。 DSP供電 電源 專用芯片的匹配電源 設計 （ 1） 從 串聯的蓄電池 中間抽頭獲取 24V 電壓，經過 DC/DC 變換器， 將 24V變換成 5V，以滿足 DSP 專用供電芯片的需要。 方案一 ： 應用 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。MC34063 是單片雙極型線性集成電路，專用于直流 直流變換器控制部分。片內包含 溫度補償帶隙基準源、 占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出開關，能輸出 的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 圖 32 為 MC34063 DC/DC 變換器 應用電路。 12345678M C 3 40 6 3R s c0 .3 3V C C 241 00 u F4 70 P 4 70 u F1 .2 K3 .6 K1 00 u HD1(SBD)2 20 u H VDD5 圖 32 MC34063 DC/DC 變換器 應用電路 方案二 ： 應用 LT1936 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。 圖 33為 LT1936 DC/DC 變換器 應用電路。 雖然 LT1936 DC/DC 變換器控制電路 與 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 的可靠性都比較好，輸出電流亦滿足設計要求，但是 MC34063 DC/DC 變換器控制芯片價格非常便宜，外圍電路 也較為 簡單， 因次選擇 了 方案一。 第三 章 控制系統硬件電路 設計 12 B O O S T1V I N2SW3GND4S H D N5FB6VC7C O M P8L T 1 9 3 6V C C 24L1 1 5u HD2 1 N 40 0 7C30 .2 2 uFVDD5C14 .7 u FR2 1 0KR13 1. 6 KC22 2u FV C C 24GGND 圖 33 LT1936 DC/DC 變換器 應用電路 ARM9 主 處理器 概述及其 與 CAN 總線的連接 簡介 ARM9處理器概述 ARM9 系列處理器是英國 ARM 公司設計的主流 嵌入式 處理器 。 ARM9采用 ARMV4T（ Harvard)結構，五級流水處理以及分離的 Cache 結構，平均功耗為 。時鐘速度為 120MHz~200MHz，每條指令平均執行 個時鐘周期。與 ARM7 系列相似，其中的 ARM9 ARM940 和 ARM9E 為含 Cache的 CPU 核。性能為 132MIPS（ 120MHz 時鐘， 供 電 ）或 220MIPS（ 200MHz時鐘） 。 本次設計選擇了 基于 ARM920 核的微處理器 S3C2410X，利用 GPRS進行 遠程 無線通信 [5]。 S3C2410X 微處理器 是 一款由 SAMSUNG 公司設計的低功耗、高集成度 微處理器 ， 現在 廣泛應用于 PDA、移動通信、路由器、工業控制等領域。 ARM9處理器 S3C2410X 與 CAN 總線的連接 CAN 總線是由德國 BOSCH 公司為實現汽車測量和執行部件之間的數據通訊而設計的、支持分布式控制及實時控制的串行通訊網絡。 CAN 總線具有如下特點：結構簡單，通信介質可 以 是雙絞線、同軸電纜或光纖；通信方式靈活 ； 可 以多主從方式工作，可以點對點 、 點對多點及全局廣播方式發送和接收數據；采用短幀通訊格式，保證了實時性和可靠性，可滿足一般工業應用；非破壞總線仲裁技術，具有多優先級；集成了 CAN 協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通訊數據的成幀處理工作。 CAN 模塊 一種是 獨立的 ，另一種是和 微處理器 集成在 一起 的 。 前者的使用靈活，可以和很多種單片機、微處理器接口 ； 后者可以簡化電路的設計，提高設計 效率。本系統采用的是一種獨立的 CAN 總線控制器 SJA1000。它是 Philips第三 章 控制系統硬件電路 設計 13 公司 PCA82C200 CAN 控制器的替代品，且