基于dsp小型地面移动机器人运动控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp小型地面移动机器人运动控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

对应绕组流过的电流波形。 功率开关管导通方式如图 25所示。 Q 1Q 6Q 4Q 3 Q 5Q 2ABC+ 图 23 电机全桥驱动方式 电路图 tt t I a E a I b I c I c Eb EE 图 24 无刷直流电机反电势和电流波形图 wtwtwtwtwtwtT1T2T3T4T5T6141636325254 图 25 三相六状态 120176。 导通方式 第二章 控制系统总体概述 7 电机运行过程中，电子换相的关键在于：当检测到当前转子位置变化的同时，查询换相逻辑表，并开通下一位置状态所对应的功率电子开关组合。 表 22列出了电机正传和反转时三相逆变器的导通顺序。 表 22 电机全桥驱动的通电规律 通电顺序 正传（逆时针） 反转（顺时针） 转子位置（电角度） 0 60 60 120 120 180 180 240 240 300 300 360 360 300 240 300 180 240 120 180 60 120 0 60 开关管 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“ +”表示正向通电，“ ” 表示反向通电。 根据每个导通状态 PWM 作用管子数目的不同，把 PWM 调制 分成“单斩”和 “双斩” 两种 方式。 采用单斩 PWM 方式对无刷直流电动机进行控制时，流过电机绕组的最大电流波动值是双斩 PWM 方式下的一半。 并且， 在本设计中由于采用电流闭环控制实现对无刷直流电机的转矩控制，当电流波动较大时电机会出现抖动的现象。 因此为了减小流过电机的电流脉动和功率管的开关损耗，设计中采用上桥臂直通、下桥臂单斩方式对无刷直流电动机进行调节控制。 无刷直流电机的数学模型 现在 仅 以“ 120176。 导通型”电机为例，对 与电动机驱动相关的电磁转矩和转速特性进行研究分析：对于星形连接的三相无刷直流电机，在理想条件下， 任何时刻只有两相绕组通电导通。 导通的两相电流 和两相反电动势 大小 都分别 相等但方向相反。 无刷直流电机的电磁转矩方程为： rccbbaapem ieieieNT /)(  (21) 式中， emT 为电机的电磁转矩 ， pN 为电机极对数， 、ae 、be ce 为三相绕组瞬时电势，cba iii 、 为三相绕组瞬时电流， r 为电机转子角速度。 在理想情况下，由于任何时刻定子绕组只有两相导通， 不导通相的电流等于零。 则电磁功率又可表示为： mmpccbbaape IENieieieNP 2)(  (22) 式中， mE 为每相反电动势， mI 为逆变器直流侧电流，则电磁转矩又可表示为： rmmpreem IENPT  /2/  (23) 第二章 控制系统总体概述 8 考虑到定子每相绕组的反电动势正比于转子角速度，即： rem KE  (24) 式中， eK 为电势常数。 将 (24)代入 (23)，则电磁转矩可表示为： mTmepem IKIKNT  2 (25) 其中， epT KNK 2 为转矩常数。 在忽略永磁体阻尼的情况下，转子运动方程表示为： )( Lempr TTNdtdJ  (26) 式中， LT 为负载转矩， J 为电机转动惯量。 由式 (24)可以得出电机的转速方程： emeT see msemr TKK RKUK IRUKE 22  (27) 式中， U 为电机绕组两端的等效电压值， sR 为电机各相绕组电阻值， RU 为电枢绕组的电阻压降， LU 为绕组电感压降。 从上公式 (25) (27)可以 看 出： （ 1）无刷直流电机输出电磁转矩与逆变器直流侧电流值为常系数关系，调节逆变器直流侧电流的大小可实现电机输出转矩调节； （ 2）当逆变器直流侧电流恒定不变，即电机的输出电磁转矩恒定时，电机转速与电机绕组两端所加等效直流电压值成正比，调节电机绕组两端所加等效直流电压值 U 可实现电机的调速控制。 图 26 是利用开关管 进行 PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形。 MTt 1 t 2tt0UiUsD 2D 1UsUi （ a） 原理图 （ b） 输入 /输出电压波形图 图 26 PWM 调速控制原理和电压波形图 第二章 控制系统总体概述 9 电机电枢绕组两端的电压平均值 U 为： SSS UUTtttUtU   1211 0 (28) Tt1 (29) 式中，  是占空比。 改变  的值即可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是电机的 PWM 调速原理。 在 PWM 调速时， 占空比  是一个重要的参数。 由上式及 21 ttT  可知， 以下 三种方法可以改变占空比  的值： （ 1）定频调宽法 ： 保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 1t . （ 2）定宽调频法 ：保持开关导通时间 1t 不变，改变开关周期 T。 （ 3）调宽调频法 ： 1t 和 T 都可调，使占空比改变。 本章小结： 本章主要 阐明了移动机器人运动控制系统的 总 体结构， 讨论了电机的选型， 无刷直流 电机的结构 、 工作原理 及数学模型 ， 简要介绍了 无刷 直流 电机的控制方法。 第三 章 控制系统硬件电路 设计 10 第三章 控制系统 硬件电路设计 控制系统 电源设计 设计电源时要考虑的因素 有 ： 输出的电压、电流、功率 ； 输入的电压、电流；安全因素；输出纹波； 电磁兼容和 干扰；体积 和 功耗 限制； 成本限制 等。 控制系统中，电源 不稳定是系统 很大 的干扰源。 电源在开关时产生的电源噪声沿着电源线传播，或 在 芯片 状态发生改变时，电源功耗的变化均会在电源和地线之间产生噪声。 因此在电源 电路 设计 中，要 在 48V 电源信号的电源线和地线之间并联一个大电解电容；在每个集成电路的电源端并联一个 去耦电容滤除电源波动在芯片电源引脚引起的电压扰动，降低电流冲击的峰值， 防止因为电源耦合造成元器件不能正常工作。 数字电路中典型的去耦电容值是。 考虑到机器人重量和行程限制， 且 便于给直流电机供电， 整个控制系统使用 4 块 天能 6DZM12 型 蓄电池 串联 供电。 天能电池容量大、比能量高 、 自放电率低 、 循环寿命长 、 安全可靠。 6DZM12 电池参数见表 31。 表 31 天能 6DZM12 型蓄 电池参数 表 标称电压 12V 额定容量 12HR 参考重量 尺寸（长） 151mm 尺寸（宽） 99mm 尺寸（高） 95mm 驱动板电源设计 由于驱动板上的驱动芯片需要 +15V 的电压和较大的驱动电流，其电源 还要与 DSP 控制 板 电源隔离，因此专门为其设计了电源。 经过仔细比较各电源芯片，最后选定了 和 LM2576HV15 作为电源芯片。 图 31 为 LM2576的典型应用电路。 + 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 图 31 LM2576 的典型应用电路 第三 章 控制系统硬件电路 设计 11 LM2576 系列 稳压器是单片集成电路，能够提供降压开关（ BUCK）的各种功能，能驱动 3A 的负载，有优异的线性和负载调整能力。 这些稳压器的内部都含有频率补偿器和固定频率振荡器，将其外部元件减到最少，大大简化了电源的设计。 当使用 LM2576HV15 时可输出 15V 电压 ， 而使用 就可输出5V 电压，完全能够满足驱动板的供电需求。 使用时输入 端 接 48V 直流电压，其输出电流可以达到 3A。 DSP供电 电源 专用芯片的匹配电源 设计 （ 1） 从 串联的蓄电池 中间抽头获取 24V 电压，经过 DC/DC 变换器， 将 24V变换成 5V，以满足 DSP 专用供电芯片的需要。 方案一 ： 应用 MC34063 DC/DC 变换器控制电路 将 24V 直流 降压为 5V。 MC34063 是单片双极型线性集成电路，专用于直流 直流变换器控制部分。 片内包含 温度补偿带隙基准源、 占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出 的开关电流。 它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 图 32 为 MC34063 DC/DC 变换器 应用电路。 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 图 32 MC34063 DC/DC 变换器 应用电路 方案二 ： 应用 LT1936 DC/DC 变换器控制电路 将 24V 直流 降压为 5V。 图 33为 LT1936 DC/DC 变换器 应用电路。 虽然 LT1936 DC/DC 变换器控制电路 与 MC34063 DC/DC 变换器控制电路 的可靠性都比较好，输出电流亦满足设计要求，但是 MC34063 DC/DC 变换器控制芯片价格非常便宜，外围电路 也较为 简单， 因次选择 了 方案一。 第三 章 控制系统硬件电路 设计 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 图 33 LT1936 DC/DC 变换器 应用电路 ARM9 主 处理器 概述及其 与 CAN 总线的连接 简介 ARM9处理器概述 ARM9 系列处理器是英国 ARM 公司设计的主流 嵌入式 处理器。 ARM9采用 ARMV4T（ Harvard)结构，五级流水处理以及分离的 Cache 结构，平均功耗为。 时钟速度为 120MHz~200MHz，每条指令平均执行 个时钟周期。 与 ARM7 系列相似，其中的 ARM9 ARM940 和 ARM9E 为含 Cache的 CPU 核。 性能为 132MIPS（ 120MHz 时钟， 供 电 ）或 220MIPS（ 200MHz时钟）。 本次设计选择了 基于 ARM920 核的微处理器 S3C2410X，利用 GPRS进行 远程 无线通信 [5]。 S3C2410X 微处理器 是 一款由 SAMSUNG 公司设计的低功耗、高集成度 微处理器 ， 现在 广泛应用于 PDA、移动通信、路由器、工业控制等领域。 ARM9处理器 S3C2410X 与 CAN 总线的连接 CAN 总线是由德国 BOSCH 公司为实现汽车测量和执行部件之间的数据通讯而设计的、支持分布式控制及实时控制的串行通讯网络。 CAN 总线具有如下特点：结构简单，通信介质可 以 是双绞线、同轴电缆或光纤；通信方式灵活 ； 可 以多主从方式工作，可以点对点 、 点对多点及全局广播方式发送和接收数据；采用短帧通讯格式，保证了实时性和可靠性，可满足一般工业应用；非破坏总线仲裁技术，具有多优先级；集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通讯数据的成帧处理工作。 CAN 模块 一种是 独立的 ，另一种是和 微处理器 集成在 一起 的。 前者的使用灵活，可以和很多种单片机、微处理器接口 ； 后者可以简化电路的设计，提高设计 效率。 本系统采用的是一种独立的 CAN 总线控制器 SJA1000。 它是 Philips第三 章 控制系统硬件电路 设计 13 公司 PCA82C200 CAN 控制器的替代品，且。