【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)應(yīng)繞組流過(guò)的電流波形。功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通方式如圖 25所示。 Q 1Q 6Q 4Q 3 Q 5Q 2ABC+ 圖 23 電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)方式 電路圖 tt t I a E a I b I c I c Eb EE 圖 24 無(wú)刷直流電機(jī)反電勢(shì)和電流波形圖 wtwtwtwtwtwtT1T2T3T4T5T6141636325254 圖 25 三相六狀態(tài) 120176。導(dǎo)通方式 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 7 電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電子換相的關(guān)鍵在于：當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置變化的同時(shí)，查詢換相邏輯表，并開(kāi)通下一位置狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的功率電子開(kāi)關(guān)組合。表 22列出了電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)時(shí)三相逆變器的導(dǎo)通順序。 表 22 電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律 通電順序 正傳（逆時(shí)針） 反轉(zhuǎn)（順時(shí)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(kāi)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 + + + + C 相 + + + + 注：表中“ +”表示正向通電，“ ” 表示反向通電。 根據(jù)每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài) PWM 作用管子數(shù)目的不同，把 PWM 調(diào)制 分成“單斬”和 “雙斬” 兩種 方式 。 采用單斬 PWM 方式對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，流過(guò)電機(jī)繞組的最大電流波動(dòng)值是雙斬 PWM 方式下的一半 。 并且， 在本設(shè)計(jì)中由于采用電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)電流波動(dòng)較大時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。因此為了減小流過(guò)電機(jī)的電流脈動(dòng)和功率管的開(kāi)關(guān)損耗，設(shè)計(jì)中采用上橋臂直通、下橋臂單斬方式對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 現(xiàn)在 僅 以“ 120176。導(dǎo)通型”電機(jī)為例，對(duì) 與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行研究分析：對(duì)于星形連接的三相無(wú)刷直流電機(jī)，在理想條件下， 任何時(shí)刻只有兩相繞組通電導(dǎo)通。導(dǎo)通的兩相電流 和兩相反電動(dòng)勢(shì) 大小 都分別 相等但方向相反。無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： rccbbaapem ieieieNT ?/)( ??? (21) 式中， emT 為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 ， pN 為電機(jī)極對(duì)數(shù)， 、ae 、be ce 為三相繞組瞬時(shí)電勢(shì)，cba iii 、 為三相繞組瞬時(shí)電流， r? 為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。 在理想情況下，由于任何時(shí)刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通， 不導(dǎo)通相的電流等于零。 則電磁功率又可表示為： mmpccbbaape IENieieieNP 2)( ???? (22) 式中， mE 為每相反電動(dòng)勢(shì)， 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(dòng)勢(shì)正比于轉(zhuǎn)子角速度，即： rem KE ?? (24) 式中， eK 為電勢(shì)常數(shù)。將 (24)代入 (23)，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： mTmepem IKIKNT ?? 2 (25) 其中， epT KNK 2? 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 在忽略永磁體阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程表示為： )( Lempr TTNdtdJ ??? (26) 式中， LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩， J 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 由式 (24)可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程： emeT see msemr TKK RKUK IRUKE 22 ?????? (27) 式中， U 為電機(jī)繞組兩端的等效電壓值， sR 為電機(jī)各相繞組電阻值， RU 為電樞繞組的電阻壓降， LU 為繞組電感壓降。 從上公式 (25) (27)可以 看 出： （ 1）無(wú)刷直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)繞組兩端所加等效直流電壓值成正比，調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端所加等效直流電壓值 U 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 圖 26 是利用開(kāi)關(guān)管 進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。 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(jī)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。改變 ? 的值即可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是電機(jī)的 PWM 調(diào)速原理。在 PWM 調(diào)速時(shí)， 占空比 ? 是一個(gè)重要的參數(shù)。由上式及 21 ttT ?? 可知， 以下 三種方法可以改變占空比 ? 的值： （ 1）定頻調(diào)寬法 ： 保持開(kāi)關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 1t . （ 2）定寬調(diào)頻法 ：保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 1t 不變，改變開(kāi)關(guān)周期 T。 （ 3）調(diào)寬調(diào)頻法 ： 1t 和 T 都可調(diào)，使占空比改變。 本章小結(jié)： 本章主要 闡明了移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 總 體結(jié)構(gòu)， 討論了電機(jī)的選型， 無(wú)刷直流 電機(jī)的結(jié)構(gòu) 、 工作原理 及數(shù)學(xué)模型 ， 簡(jiǎn)要介紹了 無(wú)刷 直流 電機(jī)的控制方法 。第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 10 第三章 控制系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng) 電源設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)電源時(shí)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 。 控制系統(tǒng)中，電源 不穩(wěn)定是系統(tǒng) 很大 的干擾源。電源在開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)，電源功耗的變化均會(huì)在電源和地線之間產(chǎn)生噪聲。 因此在電源 電路 設(shè)計(jì) 中，要 在 48V 電源信號(hào)的電源線和地線之間并聯(lián)一個(gè)大電解電容；在每個(gè)集成電路的電源端并聯(lián)一個(gè) 去耦電容濾除電源波動(dòng)在芯片電源引腳引起的電壓擾動(dòng)，降低電流沖擊的峰值， 防止因?yàn)殡娫瘩詈显斐稍骷荒苷９ぷ鳌?數(shù)字電路中典型的去耦電容值是 。 考慮到機(jī)器人重量和行程限制， 且 便于給直流電機(jī)供電， 整個(gè)控制系統(tǒng)使用 4 塊 天能 6DZM12 型 蓄電池 串聯(lián) 供電 。 天能電池容量大、比能量高 、 自放電率低 、 循環(huán)壽命長(zhǎng) 、 安全可靠 。 6DZM12 電池參數(shù)見(jiàn)表 31。 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(zhǎng)） 151mm 尺寸（寬） 99mm 尺寸（高） 95mm 驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì) 由于驅(qū)動(dòng)板上的驅(qū)動(dòng)芯片需要 +15V 的電壓和較大的驅(qū)動(dòng)電流，其電源 還要與 DSP 控制 板 電源隔離，因此專(zhuān)門(mén)為其設(shè)計(jì)了電源。經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較各電源芯片，最后選定了 和 LM2576HV15 作為電源芯片。 圖 31 為 LM2576的典型應(yīng)用電路。 + 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 圖 31 LM2576 的典型應(yīng)用電路 第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 11 LM2576 系列 穩(wěn)壓器是單片集成電路，能夠提供降壓開(kāi)關(guān)（ BUCK）的各種功能，能驅(qū)動(dòng) 3A 的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。這些穩(wěn)壓器的內(nèi)部都含有頻率補(bǔ)償器和固定頻率振蕩器，將其外部元件減到最少，大大簡(jiǎn)化了電源的設(shè)計(jì)。 當(dāng)使用 LM2576HV15 時(shí)可輸出 15V 電壓 ， 而使用 就可輸出5V 電壓，完全能夠滿足驅(qū)動(dòng)板的供電需求。使用時(shí)輸入 端 接 48V 直流電壓，其輸出電流可以達(dá)到 3A。 DSP供電 電源 專(zhuān)用芯片的匹配電源 設(shè)計(jì) （ 1） 從 串聯(lián)的蓄電池 中間抽頭獲取 24V 電壓，經(jīng)過(guò) DC/DC 變換器， 將 24V變換成 5V，以滿足 DSP 專(zhuān)用供電芯片的需要。 方案一 ： 應(yīng)用 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。MC34063 是單片雙極型線性集成電路，專(zhuān)用于直流 直流變換器控制部分。片內(nèi)包含 溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、 占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)，能輸出 的開(kāi)關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開(kāi)關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 圖 32 為 MC34063 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路。 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 圖 32 MC34063 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路 方案二 ： 應(yīng)用 LT1936 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。 圖 33為 LT1936 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路。 雖然 LT1936 DC/DC 變換器控制電路 與 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 的可靠性都比較好，輸出電流亦滿足設(shè)計(jì)要求，但是 MC34063 DC/DC 變換器控制芯片價(jià)格非常便宜，外圍電路 也較為 簡(jiǎn)單， 因次選擇 了 方案一。 第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 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(jiǎn)介 ARM9處理器概述 ARM9 系列處理器是英國(guó) ARM 公司設(shè)計(jì)的主流 嵌入式 處理器 。 ARM9采用 ARMV4T（ Harvard)結(jié)構(gòu)，五級(jí)流水處理以及分離的 Cache 結(jié)構(gòu)，平均功耗為 。時(shí)鐘速度為 120MHz~200MHz，每條指令平均執(zhí)行 個(gè)時(shí)鐘周期。與 ARM7 系列相似，其中的 ARM9 ARM940 和 ARM9E 為含 Cache的 CPU 核。性能為 132MIPS（ 120MHz 時(shí)鐘， 供 電 ）或 220MIPS（ 200MHz時(shí)鐘） 。 本次設(shè)計(jì)選擇了 基于 ARM920 核的微處理器 S3C2410X，利用 GPRS進(jìn)行 遠(yuǎn)程 無(wú)線通信 [5]。 S3C2410X 微處理器 是 一款由 SAMSUNG 公司設(shè)計(jì)的低功耗、高集成度 微處理器 ， 現(xiàn)在 廣泛應(yīng)用于 PDA、移動(dòng)通信、路由器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 ARM9處理器 S3C2410X 與 CAN 總線的連接 CAN 總線是由德國(guó) BOSCH 公司為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的、支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。 CAN 總線具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn) 、 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jí)；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(duì)通訊數(shù)據(jù)的成幀處理工作。 CAN 模塊 一種是 獨(dú)立的 ，另一種是和 微處理器 集成在 一起 的 。 前者的使用靈活，可以和很多種單片機(jī)、微處理器接口 ； 后者可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì) 效率。本系統(tǒng)采用的是一種獨(dú)立的 CAN 總線控制器 SJA1000。它是 Philips第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 13 公司 PCA82C200 CAN 控制器的替代品，且