基于DSP的雙輪倒立擺小車設計

徐澤堃

[摘 要]為了提高倒立擺系統(tǒng)的自由度、控制穩(wěn)定性及實時性，本文以DSP為核心設計了雙輪倒立擺小車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了雙輪倒立擺小車在倒立平衡位置穩(wěn)定性控制及運行過程中的穩(wěn)定性控制。實驗結果表明，本文提出的雙輪倒立擺小車控制器的設計及控制策略是可行的，具有穩(wěn)定性，實時性突出等特點。

[關鍵詞]雙輪倒立擺系統(tǒng)；DSP；MS320LF2407；控制器

中圖分類號：TN 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）23-0008-02

1、引言

倒立擺控制系統(tǒng)是一個復雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，蹤性等許多控制中的關鍵問題，其穩(wěn)定性控制與實現(xiàn)一直是研究熱點與難點。隨著現(xiàn)代工業(yè)的要求和微電子技術的進步， DSP（ Digi tal Signal Processor ， 數字信號處理）應運而生。其運算速度更快、 功能強大，低功耗等特點使其廣泛地運用于數據處理、 語音識別、 視覺處理、 運動控制等數據量多、運算速度要求高和實時性強的系統(tǒng)。本文將DSP應用到倒立擺系統(tǒng)的控制中，設計了基于DSP的雙輪倒立擺小車。與臺式倒立擺系統(tǒng)相比，它有更多的運動自由度，并可以脫離計算機實現(xiàn)離線工作，具有實時控制能力強，功能更易于擴展等特點。

2、系統(tǒng)建模

雙輪倒立擺小車由一對步進電動機、一對光電碼盤、 一個安裝

了電池盒的擺桿、 一個陀螺儀、 一個 DSP 芯片板和一個底盤及一對小輪組成。如圖1所示。

倒立擺系統(tǒng)的模型參數如下：

則有擺桿角度與小車加速度之間的傳遞函數為：

3、控制器設計

1） 控制器硬件設計

主控芯片選用TMS320LF2407芯片。該款DSP油美國TI 公司生產。TMS320LF2407芯片是TI公司TMS320系列中的一種16位定點DSP芯片，？是目前應用最為廣泛的芯片。基于TMS320C2xxDSP的CPU核結構設計提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對電機的數字化控制非常有用。同時，幾種先進的外？設被集成到該芯片內，形成了真正意義上的數字控制器。

LF2407？DSP具有TMS320系列DSP的基本功能之外，還有其自身特點：采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功率損耗； 30MIPS的執(zhí)行速度是的指令周期縮短到33ns（30MHZ），從而提高控制器的實時控制能力；基于TMS320C2XX？DSP的CPU內核保證了TMS320LF2407DSP代碼和

TMS320系列DSP代碼 兼容；片內有高達32K字×16位的Flash程序存儲器；高達2.5K×16位的數據/程序RAM；2K 字的單口RAM；SPI/SCI引導ROM；？ 兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個均包括如下資源：兩個16位通用定時器；8個16 位的脈寬調制通道（PWM），可以實現(xiàn)三相反相器控制、PWM的中心或邊緣校正、當外部引腳＼PDPINTX出現(xiàn)低電平時快速關閉PWM通道；防止擊穿故障的可編程的PWM死去控制；對外部事件進行定時捕獲的3個捕獲單元；片內光電編碼器接口電路；16通道的同步ADC轉換器。？可擴展的外部存儲器具有192K×16位空間，分別為64K字程序存儲空間，64K字的數據 存儲空間和64K字的I/O存儲空間；？看門狗（WD）定時器模塊；10位的ADC轉換器，其特性為：最小轉換時間為500ns，

16個多路復用的輸入通道、可 選擇兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入ADC轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器；基于鎖相環(huán)（PLL）的時鐘發(fā)生器；高達41個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳（GPIO）；？5個外部中斷（兩個驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷）；電源管理，具有3種低功耗模式，能夠獨立的將外圍器件轉入低功耗工作模式。該芯片將實時處理與外圍設備控制功能集于一身，特備適合雙輪倒立擺小車系統(tǒng)控制、測量對象較多，程序龐雜，擴展空能要求較多，實時性的要求。

以該芯片為核心，采用Allegro公司生產的全橋式 PWM 電機驅動芯片A3952SB實現(xiàn)步進電動機的控制，采用MAXIM 公司生產的SMITH式脈寬調制DC- DC 降壓芯片MAX831、 北京方圓公司生產的24 V 轉5 V 電壓轉換模塊SF5W， 5 V 轉3. 3 V 電壓轉換芯片AS1117 ， 3 V 精準電壓芯片REF193 ，實現(xiàn)硬件控制系統(tǒng)電源管理，采用 I S61LV6414實現(xiàn)64 K 高速外接存儲器擴展，從而構建雙輪倒立擺小車硬件控制器。

2） 控制器的軟件設計

控制器的軟件設計采用的是TI 公司提供的 CCS 軟件開發(fā)系統(tǒng)。使用循環(huán)周期中斷觸發(fā)機制對系統(tǒng)進行高度實時的控制， 每個周期中完成了對輸入的模擬信號的軟件濾波， 實時計算反饋向量及給出控制量， 實現(xiàn)反饋控制。軟件流程圖如圖3所示。

4 參數測定

在完成系統(tǒng)的雙輪倒立擺小車硬軟件設計后， 基于本文所建立的數學模型方程的基礎上，實現(xiàn)閉環(huán)控制。為了最大限度達到控制要求， 根據小車倒立擺系統(tǒng)的控制要求，選取反饋系統(tǒng)零狀態(tài)響應的響應時間、反饋系統(tǒng)零狀態(tài)響應的最大超調量、雙輪倒立擺小車實際能達到的控制能力作為閉環(huán)期望極點的選擇依據。

實驗結果如表1所示。

5 結論

本文設計的雙輪倒立擺小車可在離線的情況下，快速地實現(xiàn)倒立、保持倒立狀態(tài)下的自由位置移動大約15 min 左右。軟硬件設計基本上達到了預先設定的目標。但還存在如功能較為單一，控制冗余度不夠、平衡穩(wěn)定時間較短、運動學分析欠缺等缺點。下一步將在原來的系統(tǒng)上進一步優(yōu)化， 融入魯棒控制、模糊控制， 接入紅外線遙控接口， 語音識別系統(tǒng)等來實現(xiàn)更多的功能。

參考文獻

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