摘 要：針對覆冰機(jī)器人除冰時(shí)的電機(jī)特性，設(shè)計(jì)一種基于title="DSP">DSP的全數(shù)字化控制器，給出了硬件電路和部分軟件設(shè)計(jì)方案。該控制器采用DSP對機(jī)器人行走電機(jī)進(jìn)行伺服控制，經(jīng)過分析，該控制系統(tǒng)不僅成本低、結(jié)構(gòu)簡單、方便擴(kuò)展，而且系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。減少了電機(jī)體積，符合機(jī)器人在輸電線路上的工作要求。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；無刷直流電機(jī)；伺服控制；除冰
覆冰和積雪等原因時(shí)刻威脅著電力及通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行[1-4]。覆冰機(jī)器人是針對去除輸電線路覆冰的自動(dòng)化裝置。該機(jī)器人需要對行走電機(jī)、關(guān)節(jié)電機(jī)以及夾抓加緊電機(jī)等多種電機(jī)進(jìn)行伺服控制。電機(jī)的種類和數(shù)量相對繁多，因此機(jī)器人控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜。本文主要研究了覆冰機(jī)器人的行走電機(jī)伺服控制。行走電機(jī)需要帶動(dòng)機(jī)器人在線路上行走，當(dāng)線路有較大覆冰時(shí)要帶動(dòng)除冰刀完成破冰工作。機(jī)器人在作業(yè)中，當(dāng)遇到冰層厚不能連續(xù)前進(jìn)時(shí)，自動(dòng)完成后退，加速前沖，進(jìn)行斷續(xù)除冰。
行走電機(jī)伺服控制采用以電機(jī)控制專用芯片TMS320LF2407為核心的全數(shù)字化無刷直流電機(jī)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(jī)器人工作在強(qiáng)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(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等交流電機(jī)的一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備高速度、高效率、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，因此該系統(tǒng)選擇直流無刷電機(jī)作為機(jī)器人軸驅(qū)動(dòng)[5]。
1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過分析直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度高動(dòng)態(tài)性能控制，就需要同時(shí)對電機(jī)的速度、電流以及位置進(jìn)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(jī)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(dòng)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。
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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度或速度的變化。
速度閉環(huán)控制主要負(fù)責(zé)機(jī)器人行走速度和除冰時(shí)的速度變化控制。圖2為無刷直流電機(jī)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(shí)，通過光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(shí)間常數(shù)；
為電機(jī)在額定勵(lì)磁下的反電動(dòng)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(jī)的相電阻；υg為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速；υs為電機(jī)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(jī)直流端電壓；E為電機(jī)相反電動(dòng)勢幅值；id為電機(jī)相電流；n為電機(jī)的真實(shí)轉(zhuǎn)速。
3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(shí)刻電流僅流入三相繞組中的兩相，所以只需1個(gè)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(shí)起過電流保護(hù)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(gè)PWM周期開始時(shí)，對PWM脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。
3.2 轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速檢測
選用TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)三相無刷直流電機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。使用3個(gè)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(jìn)行處理。檢測3個(gè)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(shí)間間隔得出電機(jī)轉(zhuǎn)速。
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器采用IR2130芯片。IR2130芯片控制6個(gè)功率管導(dǎo)通和關(guān)斷順序，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此驅(qū)動(dòng)芯片本身給功率器件提供過電壓保護(hù)。其內(nèi)部含有邏輯保護(hù)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(hù)器件中有檢測電阻，電流過大時(shí)，檢測信號經(jīng)過邏輯判斷，將PDPINT置為低電平，DSP內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，所有PWM輸出低電平，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)[7]。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(shí)驗(yàn)用時(shí)鐘頻率為20 MHz，PWM頻率為20 kHz。通過定時(shí)器1周期匹配事件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，使每個(gè)PWM周期都進(jìn)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(jì)數(shù)和計(jì)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(jìn)行換相操作和速度計(jì)算[8]。
本文應(yīng)用TI公司的TMS320LF2407A DSP 設(shè)計(jì)了一種針對覆冰機(jī)器人行走和除冰時(shí)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)分析，該系統(tǒng)不僅成本低、易于實(shí)現(xiàn)，且性能穩(wěn)定、方便擴(kuò)展，對工程實(shí)踐和電機(jī)調(diào)速具有重要意義。
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