【正文】 mmpccbbaape IENieieieNP 2)( ???? (22) 式中， mE 為每相反電動勢， mI 為逆變器直流側(cè)電流，則電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為： rmmpreem IENPT ?? /2/ ?? (23) 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 8 考慮到定子每相繞組的反電動勢正比于轉(zhuǎn)子角速度，即： rem KE ?? (24) 式中， eK 為電勢常數(shù)。 從上公式 (25) (27)可以 看 出： （ 1）無刷直流電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩與逆變器直流側(cè)電流值為常系數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)逆變器直流側(cè)電流的大小可實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)； （ 2）當(dāng)逆變器直流側(cè)電流恒定不變，即電機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩恒定時，電機轉(zhuǎn)速與電機繞組兩端所加等效直流電壓值成正比，調(diào)節(jié)電機繞組兩端所加等效直流電壓值 U 可實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。在 PWM 調(diào)速時， 占空比 ? 是一個重要的參數(shù)。第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計 10 第三章 控制系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計 控制系統(tǒng) 電源設(shè)計 設(shè)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 。 數(shù)字電路中典型的去耦電容值是 。 表 31 天能 6DZM12 型蓄 電池參數(shù) 表 標(biāo)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(qū)動板電源設(shè)計 由于驅(qū)動板上的驅(qū)動芯片需要 +15V 的電壓和較大的驅(qū)動電流，其電源 還要與 DSP 控制 板 電源隔離，因此專門為其設(shè)計了電源。這些穩(wěn)壓器的內(nèi)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(shè)計。 方案一 ： 應(yīng)用 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。 圖 32 為 MC34063 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路。 第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)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(yīng)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(shè)計的主流 嵌入式 處理器 。性能為 132MIPS（ 120MHz 時鐘， 供 電 ）或 220MIPS（ 200MHz時鐘） 。 CAN 總線具有如下特點：結(jié)構(gòu)簡單，通信介質(zhì)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(fā)送和接收數(shù)據(jù)；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(yè)應(yīng)用；非破壞總線仲裁技術(shù)，具有多優(yōu)先級；集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通訊數(shù)據(jù)的成幀處理工作。它是 Philips第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計 13 公司 PCA82C200 CAN 控制器的替代品，且增加了一 種新的操作模式 — PeliCAN，這種模式支持 協(xié)議 [6]。 SAJ1000 與 CAN 物理 總線的連接 將 在 CAN 功能模塊硬件設(shè)計章節(jié)給予說明。 同時這種系統(tǒng)的控制精度一般都較低，難以滿足移動機器人能高性能、高精度的要求。諾依曼總線結(jié)構(gòu)，處理器的處理能力有限，難以滿足機器人運算量較大的實時信號處理的需求。 （ 3） DSP 芯片采用多級流水線技術(shù)。由于之前控制電機的驅(qū)動器都是外購的，價格較貴而且每個驅(qū)動器只能驅(qū)動一個電機，這樣八個電機就需要八個驅(qū)動器，占據(jù)了機器人很大的空間；而本次設(shè)計的基于 DSP 的運動控制器可同時控制兩臺電機，使得機器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。值得一提的是， F28x DSP 核心支持特殊的 IQmath 函式庫，系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用便宜的定點數(shù) DSP 來發(fā)展所需的浮點運算算法 [7]。 利用 DSP 的 CAN 模塊實現(xiàn)與 ARM9 主 控制器 的通信。只需晶體和兩個電容，價格便宜，體積小，能滿足時鐘信號電平要求，但驅(qū)動能力差，不可提供多個器件使用，頻率范圍?。?20kHz～ 60MHz），使用時還須注意配置正確的負載電容，使輸出時鐘頻率精確、穩(wěn)定。 （ 3）可編程時鐘芯片電路較簡單，一般由可編程時鐘芯片、晶體和兩個外部電容構(gòu)成。采用可編程時鐘芯片電路，可在線對系統(tǒng)工作時鐘進行控制。 為降低時鐘的高頻噪聲干擾，提高系統(tǒng)整體的性能， 石英晶體 頻率等于 150MHz（ DSP 芯片主頻） ? 80%? 25%=30MHz[9]。 無源晶體與 DSP 的連接電路如圖 39 所示。最有效的措施 是采用具有監(jiān)視功能 的自動復(fù)位電路 。 圖 310 為 復(fù)位電路 原理圖。 R11KV D D 33S W 1C11 03R E S E TC21 0u F 圖 310 復(fù)位電路原理 3. DSP 電源設(shè)計 TMS320LF2812 是一種低 功 耗 DSP，工作電壓為 ，需要設(shè)計專門的電源電路來滿足要求。 DSP 電源加 電順序 ： 核電壓要比 I/O 電壓先加載 , 至少要同時加載 。同時電源關(guān)閉也應(yīng)該遵循這樣的條件。 C20 .1 u FC30 .1 u FC40 .1 u FNC1NC21 G N D31 E N41 I N51 I N6NC72 E N10NC82 G N D92 I N112 I N12NC13NC14NC15NC162 O U T172 O U T18NC19NC20NC212 R E S E T221 O U T231 O U T241 F B / N C25NC26NC271 R E S E T28T P S 7 6 7 D 3 0 1L1R13 0 1 KQ12 N 2 2 2 2C34 7 u FVDD5R21 0 KR33 0 1 KR42 5 0 KR5 1 8 . 2 KL2L3C53 3 u FC63 3 u FC73 3 u FC83 3 u FV D D 1 8V D D 3 3 圖 311 應(yīng)用 TPS767D301 芯片的 DSP 電源電路圖 方案二： 采用 TPS70151 作為電源芯片，電路如圖 312 所示。另外 TPS70151 的SEQ 引腳接地，保證了電源上電順序的要求。 TPS70151 復(fù)位腳與DSP 復(fù)位腳相連接，當(dāng)電源電路出現(xiàn)波動時，其復(fù)位腳可以輸出 200ms 的復(fù)位信號，保證 DSP 芯片復(fù)位。 以下給出具體實現(xiàn)方案： 方案一 ： 采用 TPS767D301 作為電源芯片，電路如圖 311 所示。在有一定安全措施保障的前提下，允許兩個電源同時加電，兩個電源都必須在 25ms 內(nèi)達到規(guī)定電平的 95%[12]。 同時 ， 由于芯片的 A/D 模塊屬于模擬電路部分，為減少數(shù)字電路部分對這部分的干擾，要求提供相隔離的電源電路 。圖中 C1 的作用是消除抖動， C2 協(xié)助 實現(xiàn)上電復(fù)位。 其 基本原理 是 提供一個用于監(jiān)視系統(tǒng)運行的監(jiān)視線，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計 17 在規(guī)定的時間內(nèi)給監(jiān)視線提供一個高低電平發(fā)生變化的信號 。實際上 DSP 系統(tǒng)的時鐘頻率較高，在運行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機現(xiàn)象 [10]。兩個 負載 電容 選取 24pF，可 對時鐘頻率起到微調(diào)作用 。 X1晶體C1 C2X10X21D S P(內(nèi)含 O S C) 圖 36 無源晶體電路 X113 .3 V2NC 3GND 4晶振 圖 37 有源晶振電路 C L K C1GND2X T A LI N3X T A LO U T4 C L K B 5C L K A 6VDD 7F S/ O E 8CY22381 圖 38 可編程時鐘芯片一般 TI DSP 芯片能提供多種靈活的時鐘選項，可以使用片內(nèi) /片外振蕩器、片內(nèi) PLL 或由硬件 /軟件配置 PLL 分頻 /倍頻系數(shù)。驅(qū)動能力強，頻寬最高達 200MHz，輸出信號電平一般為 5V 或 。但由于晶振頻率不能改變，多個獨立的時鐘需要多個晶振。 TI DSP 系統(tǒng)中的時鐘電路主要有三種：無源晶體電路、有源晶振電路、可編程時鐘芯片電路 [8]。 本設(shè)計選用 TMS320F2812 作為 分布式控制 芯片，充 分利用 DSP 片內(nèi)豐富的第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計 15 外設(shè)資源，使控制系統(tǒng)的電路設(shè)計大為簡化。 器件上集成了多種先進的外設(shè)，為電機及其他運動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實現(xiàn)提供了良好的平臺。 （ 5）片上具有大容量的存儲器 ， 能夠滿足控制系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)及程序的要求。 而 DSP 芯片作為電機控制器的控制芯片，具有如下特點： （ 1）改進的哈佛結(jié)構(gòu)。首先，一般單片機上不具備電機控制所需要的專 用外設(shè)（如 PWM 脈沖發(fā)生器、 CAP 捕獲口等），即以單片機為核心的運動控制器仍然需要較多的外圍元器件，軟硬件設(shè)計的工程量較大，并增加了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。 電動機控制專用集成芯片具有系統(tǒng)使用元件少、集成度高、響應(yīng)速度快、可靠性好、芯片價格較低及開發(fā)周期短等優(yōu)點。 圖 34 SJA1000 的硬件結(jié)構(gòu)框圖 SJA1000 的地址數(shù)據(jù)總 線是 復(fù)用的，通過 ALE 信號下降沿可以 鎖 存總線上的地址信號。 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(shè)計，提高設(shè)計 效率。 S3C2410X 微處理器 是 一款由 SAMSUNG 公司設(shè)計的低功耗、高集成度 微處理器 ， 現(xiàn)在 廣泛應(yīng)用于 PDA、移動通信、路由器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。時鐘速度為 120MHz~200MHz，每條指令平均執(zhí)行 個時鐘周期。 圖 33為 LT1936 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路。片內(nèi)包含 溫度補償帶隙基準(zhǔn)源、 占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出 的開關(guān)電流。使用時輸入 端 接 48V 直流電壓，其輸出電流可以達到 3A。 圖 31 為 LM2576的典型應(yīng)用電路。 天能電池容量大、比能量高 、 自放電率低 、 循環(huán)壽命長 、 安全可靠 。電源在開關(guān)時產(chǎn)生的電源噪聲沿著電源線傳播，或 在 芯片 狀態(tài)發(fā)生改變時，電源功耗的變化均會在電源和地線之間產(chǎn)生噪聲。 （ 3）調(diào)寬調(diào)頻法 ： 1t 和 T 都可調(diào)，使占空比改變。 MTt 1 t 2tt0UiUsD 2D 1UsUi （ a） 原理圖 （ b） 輸入 /輸出電壓波形圖 圖 26 PWM 調(diào)速控制原理和電壓波形圖 第二章 控制系統(tǒng)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。 在忽略永磁體阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子運動方程表示為： )( Lempr TTNdtdJ ??? (26) 式中， LT 為負載轉(zhuǎn)矩， J 為電機轉(zhuǎn)動慣量。無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： rccbbaapem ieieieNT ?/)( ??? (21) 式中， emT 為電機的電磁轉(zhuǎn)矩 ， pN 為電機極對數(shù)， 、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(zhuǎn)子角速度。因此為了減小流過電機的電流脈動和功率管的開關(guān)損耗，設(shè)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(diào)節(jié)控制。 表 22 電機全橋驅(qū)動的通電規(guī)律 通電順序 正傳（逆時針） 反轉(zhuǎn)（順時針） 轉(zhuǎn)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(guān)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 + + + +