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(shí)時(shí)性，本文以DSP為核心設(shè)計(jì)了雙輪倒立擺小車控制系統(tǒng)，實(shí)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(yùn)行過程中的穩(wěn)定性控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的雙輪倒立擺小車控制器的設(shè)計(jì)及控制策略是可行的，具有穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性突出等特點(diǎn)。

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

中圖分類號(hào)：TN 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）23-0008-02

1、引言

倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)，蹤性等許多控制中的關(guān)鍵問題，其穩(wěn)定性控制與實(shí)現(xiàn)一直是研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的要求和微電子技術(shù)的進(jìn)步， DSP（ Digi tal Signal Processor ， 數(shù)字信號(hào)處理）應(yīng)運(yùn)而生。其運(yùn)算速度更快、 功能強(qiáng)大，低功耗等特點(diǎn)使其廣泛地運(yùn)用于數(shù)據(jù)處理、 語音識(shí)別、 視覺處理、 運(yùn)動(dòng)控制等數(shù)據(jù)量多、運(yùn)算速度要求高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的系統(tǒng)。本文將DSP應(yīng)用到倒立擺系統(tǒng)的控制中，設(shè)計(jì)了基于DSP的雙輪倒立擺小車。與臺(tái)式倒立擺系統(tǒng)相比，它有更多的運(yùn)動(dòng)自由度，并可以脫離計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)離線工作，具有實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)，功能更易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。

2、系統(tǒng)建模

雙輪倒立擺小車由一對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、一對(duì)光電碼盤、 一個(gè)安裝

了電池盒的擺桿、 一個(gè)陀螺儀、 一個(gè) DSP 芯片板和一個(gè)底盤及一對(duì)小輪組成。如圖1所示。

倒立擺系統(tǒng)的模型參數(shù)如下：

則有擺桿角度與小車加速度之間的傳遞函數(shù)為：

3、控制器設(shè)計(jì)

1） 控制器硬件設(shè)計(jì)

主控芯片選用TMS320LF2407芯片。該款DSP油美國TI 公司生產(chǎn)。TMS320LF2407芯片是TI公司TMS320系列中的一種16位定點(diǎn)DSP芯片，？是目前應(yīng)用最為廣泛的芯片。基于TMS320C2xxDSP的CPU核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對(duì)電機(jī)的數(shù)字化控制非常有用。同時(shí)，幾種先進(jìn)的外？設(shè)被集成到該芯片內(nèi)，形成了真正意義上的數(shù)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(diǎn)：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，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(shí)時(shí)控制能力；基于TMS320C2XX？DSP的CPU內(nèi)核保證了TMS320LF2407DSP代碼和

TMS320系列DSP代碼 兼容；片內(nèi)有高達(dá)32K字×16位的Flash程序存儲(chǔ)器；高達(dá)2.5K×16位的數(shù)據(jù)/程序RAM；2K 字的單口RAM；SPI/SCI引導(dǎo)ROM；？ 兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB，每個(gè)均包括如下資源：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16 位的脈寬調(diào)制通道（PWM），可以實(shí)現(xiàn)三相反相器控制、PWM的中心或邊緣校正、當(dāng)外部引腳＼PDPINTX出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道；防止擊穿故障的可編程的PWM死去控制；對(duì)外部事件進(jìn)行定時(shí)捕獲的3個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道的同步ADC轉(zhuǎn)換器。？可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器具有192K×16位空間，分別為64K字程序存儲(chǔ)空間，64K字的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)空間和64K字的I/O存儲(chǔ)空間；？看門狗（WD）定時(shí)器模塊；10位的ADC轉(zhuǎn)換器，其特性為：最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，

16個(gè)多路復(fù)用的輸入通道、可 選擇兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入ADC轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器；基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘發(fā)生器；高達(dá)41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入輸出引腳（GPIO）；？5個(gè)外部中斷（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）；電源管理，具有3種低功耗模式，能夠獨(dú)立的將外圍器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。該芯片將實(shí)時(shí)處理與外圍設(shè)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(cè)量對(duì)象較多，程序龐雜，擴(kuò)展空能要求較多，實(shí)時(shí)性的要求。

以該芯片為核心，采用Allegro公司生產(chǎn)的全橋式 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A3952SB實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，采用MAXIM 公司生產(chǎn)的SMITH式脈寬調(diào)制DC- DC 降壓芯片MAX831、 北京方圓公司生產(chǎn)的24 V 轉(zhuǎn)5 V 電壓轉(zhuǎn)換模塊SF5W， 5 V 轉(zhuǎn)3. 3 V 電壓轉(zhuǎn)換芯片AS1117 ， 3 V 精準(zhǔn)電壓芯片REF193 ，實(shí)現(xiàn)硬件控制系統(tǒng)電源管理，采用 I S61LV6414實(shí)現(xiàn)64 K 高速外接存儲(chǔ)器擴(kuò)展，從而構(gòu)建雙輪倒立擺小車硬件控制器。

2） 控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件設(shè)計(jì)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(jī)制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高度實(shí)時(shí)的控制， 每個(gè)周期中完成了對(duì)輸入的模擬信號(hào)的軟件濾波， 實(shí)時(shí)計(jì)算反饋向量及給出控制量， 實(shí)現(xiàn)反饋控制。軟件流程圖如圖3所示。

4 參數(shù)測(cè)定

在完成系統(tǒng)的雙輪倒立擺小車硬軟件設(shè)計(jì)后， 基于本文所建立的數(shù)學(xué)模型方程的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。為了最大限度達(dá)到控制要求， 根據(jù)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(yīng)的響應(yīng)時(shí)間、反饋系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)的最大超調(diào)量、雙輪倒立擺小車實(shí)際能達(dá)到的控制能力作為閉環(huán)期望極點(diǎn)的選擇依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的雙輪倒立擺小車可在離線的情況下，快速地實(shí)現(xiàn)倒立、保持倒立狀態(tài)下的自由位置移動(dòng)大約15 min 左右。軟硬件設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。但還存在如功能較為單一，控制冗余度不夠、平衡穩(wěn)定時(shí)間較短、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析欠缺等缺點(diǎn)。下一步將在原來的系統(tǒng)上進(jìn)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(shí)別系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)更多的功能。

參考文獻(xiàn)

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