基于DSP的旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)電機(jī)控制方法?

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度，最根本的方法往往是通過(guò)提高慣性器件陀螺儀和加速度計(jì)的精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而更換現(xiàn)有的慣性元件成本巨大，因此在現(xiàn)有陀螺和加速度計(jì)精度的基礎(chǔ)上采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)已成為提高導(dǎo)航精度的必然選擇。旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)實(shí)質(zhì)上是采用誤差自補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?］，將整個(gè)IMU安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞一個(gè)軸或者多個(gè)軸周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，使得慣性器件的輸出誤差呈周期性變化，從而在導(dǎo)航解算過(guò)程中得到平均和抑制。而整個(gè)旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制，旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制精度直接影響到導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。因此本文針對(duì)光纖陀螺的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用單軸正反旋轉(zhuǎn)調(diào)制方式對(duì)電機(jī)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不增加成本下提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用單軸正反連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式，旋轉(zhuǎn)軸鉛垂，調(diào)制水平面內(nèi)的陀螺儀及加速度計(jì)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)采用直流力矩電機(jī)。IMU旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速反饋采用圓光柵，輸出標(biāo)準(zhǔn)正交脈沖。電機(jī)核心控制器選用TI公司C2000系列的TMS320F28335DSP板，其內(nèi)部集成了增強(qiáng)型正交編碼脈沖模塊（eQEP），由該模塊與光柵配合使用，可以控制電機(jī)完成高精度位置反饋和快速響應(yīng)［2～3］。

旋轉(zhuǎn)單元體由力矩電機(jī)控制，圓形光柵固定于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，電機(jī)控制DSP的Eqep模塊直接讀取光柵輸出的正交編碼脈沖信號(hào)，完成電機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速測(cè)量［3］。同時(shí)電機(jī)控制DSP要將光柵反饋的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速信息通過(guò)SCI完成與預(yù)處理機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。預(yù)處理機(jī)將電機(jī)控制信號(hào)發(fā)送到電機(jī)控制DSP，該DSP根據(jù)接收到的電機(jī)控制字通過(guò)自帶的PWM通道輸出其相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向控制［4］，并且要根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速和光柵反饋的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行PID控制?？紤]到系統(tǒng)的安全性，當(dāng)系統(tǒng)電流值超出設(shè)定值上限，要通過(guò)控制繼電器切斷電機(jī)電源，保護(hù)電機(jī)設(shè)備。最后預(yù)處理計(jì)算機(jī)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 基于PWM信號(hào)的電機(jī)控制方法

3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速控制

PWM控制是指用DSP產(chǎn)生的PWM波去控制由功率開(kāi)關(guān)管組成的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路［5］。常見(jiàn)的H橋驅(qū)動(dòng)通過(guò)控制對(duì)側(cè)三極管同時(shí)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。為了防止誤接將兩側(cè)三極管同時(shí)導(dǎo)通（短路電流會(huì)將燒掉三極管），常使用一個(gè)“使能”信號(hào)同四個(gè)與門(mén)相連控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)，同時(shí)為了保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)管腳上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通，使用兩個(gè)非門(mén)作為方向輸入，如圖2所示為改進(jìn)的H橋驅(qū)動(dòng)電路。另外為了消除電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的影響，可在每個(gè)晶體管兩端接引流二極管。

圖2 改進(jìn)H橋驅(qū)動(dòng)

直流電機(jī)調(diào)速可以通過(guò)DSP的PWM模塊采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方式控制。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比，控制輸出到直流電機(jī)的平均電壓。電機(jī)的平均電壓隨著占空比增大而增大。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速受電樞平均電壓控制，因而高占空比控制信號(hào)對(duì)應(yīng)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速。反之，占空比越小，提供給電機(jī)的平均電壓越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速就低。

DSP的PWM波占空比變化可以通過(guò)改變比較寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而完成電樞電壓的無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。而直流電機(jī)的換向則是通過(guò)改變H橋控制電路中功率管的導(dǎo)通順序?qū)崿F(xiàn)的。

本系統(tǒng)采用封裝好的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)LMD18200芯片。LMD18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件［5］?？梢耘cDSP、電機(jī)和光柵構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

DSP采用TTL電平完成電路之間的通信，由于TTL電平幅值較低，而LMD18200芯片工作電壓較高，而芯片控制端信號(hào)由DSP直接產(chǎn)生，如果芯片電路發(fā)生異常，其工作電壓可能會(huì)直接加在DSP管腳。為確保安全，DSP輸出的控制信號(hào)需經(jīng)過(guò)光耦隔離電路再控制LMD18200芯片。同時(shí)，由于DSP的PWM控制信號(hào)容易受到電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生磁場(chǎng)和噪音的影響，因此需要設(shè)計(jì)光耦隔離電路將影響降至最低。

LMD18200芯片共有3路控制信號(hào)輸入口，分別是PWM端口、DIR方向端口和BRAKE剎車端口。DIR高電平正轉(zhuǎn)，低電平反轉(zhuǎn)。BRAKE高電平剎車，低電平工作。PWM端口如果輸入高電平則全速運(yùn)行，如果輸入PWM信號(hào)則是調(diào)速運(yùn)行。LMD18200驅(qū)動(dòng)芯片真值表見(jiàn)表1。

表1 LMD18200邏輯真值表

3.2 PWM的產(chǎn)生

2000系列的DSP之所以能在電氣控制領(lǐng)域被廣泛使用，除了其DSP內(nèi)核外，主要是因?yàn)榧闪吮姸噙m合電氣檢測(cè)與控制的外設(shè)設(shè)備，PWM模塊就是其中之一。PWM信號(hào)的一個(gè)重要用途就是作為數(shù)字電機(jī)的控制信號(hào)，PWM信號(hào)通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)閉，達(dá)到控制電機(jī)的目的。在電機(jī)控制系統(tǒng)中采用PWM控制方式可以為電機(jī)繞組提供良好的諧波電壓和電流，避免電磁干擾，并且能夠顯著提高功率因數(shù)。

F28335的PWM是個(gè)加強(qiáng)模塊，共有6個(gè)ePWM子模塊，每個(gè)子模塊都有兩路PWM輸出［6］。本系統(tǒng)只使用其中一個(gè)子模塊產(chǎn)生PWM波，來(lái)實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)控制。PWM周期是由時(shí)間基準(zhǔn)周期寄存器TBPRD和時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的工作方式共同確定，而比較寄存器用來(lái)確定ePWM的占空比，通過(guò)更新比較寄存器CMP的值來(lái)改變占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制。PWM軟件程序設(shè)計(jì)如圖3所示。而F28335核心處理器輸出的PWM控制信號(hào)的負(fù)載能力有限，為了達(dá)到更好的控制效果，輸出的信號(hào)要經(jīng)過(guò)功率放大器以提升其驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力［6］。

圖3 PWM設(shè)計(jì)流程

3.3 PID控制

電機(jī)控制主要涉及到QEP模塊采樣光柵的輸出脈沖，該模塊主要是根據(jù)DSP捕獲的兩路光柵正交編碼脈沖信號(hào)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向和位置，即根據(jù)兩路信號(hào)的相位差獲得轉(zhuǎn)向信息，根據(jù)捕獲的脈沖個(gè)數(shù)可以決定電機(jī)轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)位置信息［7］。

DSP根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速和光柵反饋的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID計(jì)算，然后產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM波控制電機(jī)。例如當(dāng)光柵反饋的實(shí)際速度設(shè)定速度慢的時(shí)候，提高PWM的占空比，使電機(jī)實(shí)際速度增加，反之相反，如此可以達(dá)到良好的調(diào)速效果。

值得注意的是，積分環(huán)節(jié)的引用目的是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)靜差，提高控制精度，但在電機(jī)旋轉(zhuǎn)換向時(shí)，短時(shí)間內(nèi)電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速由于過(guò)渡過(guò)程會(huì)差生較大偏差，從而引起較大的超調(diào)量［8］，這樣會(huì)使電機(jī)換向過(guò)程產(chǎn)生不平穩(wěn)，同時(shí)也增大了調(diào)節(jié)時(shí)間，這對(duì)高精度的旋轉(zhuǎn)調(diào)制系統(tǒng)是不能滿足要求的。因此PID控制器要采用積分分離PID控制［9～10］，即需要在電機(jī)換向過(guò)程中取消積分過(guò)程，只進(jìn)行PD控制。積分分離PID控制流程如圖4所示。

圖4 積分分離PID控制流程

4 軟件設(shè)計(jì)

DSP通常使用TI公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)［11～12］。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可使用TI為F28335用戶提供的利用結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體定義片內(nèi)各個(gè)寄存器的頭文件庫(kù)，用戶可以方便用C語(yǔ)言對(duì)DSP內(nèi)部的寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。DSP28335程序空間和數(shù)據(jù)空間是統(tǒng)一編址的，通過(guò)配置cmd文件完成對(duì)存儲(chǔ)空間的劃分［13～14］。

圖5 主程序流程

圖6 電機(jī)控制流程

整個(gè)控制程序由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序負(fù)責(zé)完成外設(shè)的初始化以及PID調(diào)節(jié)器的初始化等工作，等待中斷到來(lái)。主程序流程如圖5所示。而中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)處理電機(jī)狀態(tài)計(jì)算與上位機(jī)的控制指令。在實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的過(guò)程中主要涉及的內(nèi)容如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今控制系統(tǒng)正在向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，不但硬件結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，而且控制精度高。旋轉(zhuǎn)調(diào)制式慣導(dǎo)系統(tǒng)需要利用獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的由旋轉(zhuǎn)系向載體系的轉(zhuǎn)換，因此電機(jī)控制要求系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、可靠性高、轉(zhuǎn)速調(diào)級(jí)平穩(wěn)、反轉(zhuǎn)過(guò)程平穩(wěn)且角度誤差小等特點(diǎn)。而DSP在指令處理速度上比普通微處理器有很大提升，可使很多復(fù)雜控制算法在嵌入式硬件中實(shí)現(xiàn)，使得電機(jī)的控制性能和精度大幅提升。同時(shí)DSP28335集成了較多適合電氣檢測(cè)與控制的外設(shè)設(shè)備，而且價(jià)格低廉，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了便利。因此基于DSP28335的電機(jī)控制系統(tǒng)能充分發(fā)揮其外設(shè)資源豐富特點(diǎn)，減少附加電路，達(dá)到精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的。同時(shí)DSP28335處理器用于精度較高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的慣性導(dǎo)航旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制系統(tǒng)也能很好地發(fā)揮其采用哈佛結(jié)構(gòu)和多級(jí)流水線機(jī)制［6，14］的強(qiáng)大控制和高速信號(hào)處理特點(diǎn)。