基于DSP的覆冰机器人控制系统研究

DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

　　覆冰和积雪等原因时刻威胁着电力及通信网络的安全运行[1-4]。覆冰机器人是针对去除输电线路覆冰的自动化装置。该机器人需要对行走电机、关节电机以及夹抓加紧电机等多种电机进行伺服控制。电机的种类和数量相对繁多，因此机器人控制系统相对比较复杂。本文主要研究了覆冰机器人的行走电机伺服控制。行走电机需要带动机器人在线路上行走，当线路有较大覆冰时要带动除冰刀完成破冰工作。机器人在作业中，当遇到冰层厚不能连续前进时，自动完成后退，加速前冲，进行断续除冰。

　　行走电机伺服控制采用以电机控制专用芯片TMS320LF2407为核心的全数字化无刷直流电机控制系统。采用全数字化控制方式可以有效地避免模拟控制中不稳定因素的干扰。由于该机器人工作在强电磁环境中，因此全数字化控制方式可以有效地避免电磁干扰。由于直流无刷电机具有结构简单、运行可靠等交流电机的一系列优点，又具备高速度、高效率、高动态响应等直流电机的优点，因此该系统选择直流无刷电机作为机器人轴驱动[5]。

　　1 控制系统总体结构设计

　　通过分析直流电机的运动方程可知，电机加速度与其转矩成正比，而转矩又与其电流成正比，因此，要实现电机的高精度高动态性能控制，就需要同时对电机的速度、电流以及位置进行检测和控制。系统中包括位置检测环节和电流检测环节，分别检测电机的转速和电流。系统的硬件电路主要包括DSP系统、功率驱动电路、隔离电路、位置检测电路和电流检测电路。系统的结构原理如图1所示。

　　数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　2速度闭环控制

　　根据输入的设定值和反馈量形成偏差，经过一系列数字化调整形成PWM占空比的控制量，以此控制伺服电机的转动速度或速度的变化。

　　速度闭环控制主要负责机器人行走速度和除冰时的速度变化控制。图2为无刷直流电机速度电流双闭环控制系统。对BLDCM 形成速度闭环控制时，通过光电编码器检测电机的转动方向及转角并反馈回DSP系统。

　　其中，

为一阶惯性环节的时间常数

为电机在额定励磁下的反电动势常数；K1、K2分别为电流和速度反馈的比例系数；K3=R为电机的相电阻；υg为电机给定转速；υs为电机反馈速度；ig为速度调节器的输出，即电流给定值；if为反馈电流；ie为电流误差信号；Uc为PWM控制信号；Ud为电机直流端电压；E为电机相反电动势幅值；id为电机相电流；n为电机的真实转速。

　　3系统硬件设计

　　3.1 相电流检测

　　由于功率电子主回路采用两两通电方式。任意时刻电流仅流入三相绕组中的两相，所以只需1个相电流检测传感器即可完成相电流的检测。使用旁路电阻检测各相电流。该电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂与地之间，同时起过电流保护作用。电阻上的压降信号经过放大以后，送到TMS320F2407片上的A/D转换通道，经过A/D转换得到合适的电流信号。A/D转换结束以后，A/D转换模块会向CPU发出中断请求信号，等待CPU对电流信号的检测。最后根据电流误差，在每个PWM周期开始时，对PWM脉冲的占空比进行调节[6]。

　　3.2 转子位置与转速检测

　　选用TMS320LF2407A实现三相无刷直流电机调速的控制和驱动电路。使用3个位置间隔120°分布的霍尔传感器，由霍尔器件所输出的转子位置信号送到功率变换电路后，直接送至TMS320LF2407A的捕获单元进行处理。检测3个捕获口的状态可以得到当前3路位置信号的组合状态，从而得到转子位置。 捕获口CAP1～CAP3 捕获到的每一次跳变引发一次捕获中断，转子每转过一转，产生6次捕获中断。通过测量相邻2次中断时间间隔得出电机转速。

　　3.3 驱动电路设计

　　电机控制驱动器采用IR2130芯片。IR2130芯片控制6个功率管导通和关断顺序，实现控制电机的正反转。此驱动芯片本身给功率器件提供过电压保护。其内部含有逻辑保护电路，当出现对级直通逻辑，芯片立即全部输出低电平，关断所有MOSFET管。另外，功率回路保护器件中有检测电阻，电流过大时，检测信号经过逻辑判断，将PDPINT置为低电平，DSP内部计数器停止计数，所有PWM输出低电平，关断驱动电路，实现过电流保护[7]。

　　4系统软件设计

　　主程序主要完成DSP初始化，流程图如图3所示。A/D转换中断子程序完成速度、电流的调节，流程图如图4所示。实验用时钟频率为20 MHz，PWM频率为20 kHz。通过定时器1周期匹配事件启动A/D转换，使每个PWM周期都进行1次电流采样，并且要在A/D转换中断处理程序调节电流来控制PWM输出。捕捉中断程序完成对位置量的计数和计算速度参考量，程序流程图如图5所示。转子每转过60°角触发一次捕捉中断，进行换相操作和速度计算[8]。

　　本文应用TI公司的TMS320LF2407A DSP 设计了一种针对覆冰机器人行走和除冰时的直流无刷电机控制系统。经分析，该系统不仅成本低、易于实现，且性能稳定、方便扩展，对工程实践和电机调速具有重要意义。
  [p] 3 ADEECS路由协议

　　方案中，假设已知发送节点的发射功率，接收节点可以根据接收信号的强度，计算二者之间距离的近似值;发射功率可控，即节点可以根据自身需要调整发射功率。采用与文献[5]相同的无线传输能量消耗模型。ADEECS协议按轮执行，每一轮分为网络部署，簇头选举，成簇，数据传输这4个阶段。

　　具体实现过程如下：

　　阶段1：网络部署阶段在网络部署阶段，让基站以一定的功率向网络内广播一个消息HELLO_MSG。传感器节点根据接收信号的强度计算出自己到基站的近似距离，在与基站通信时，依据这个距离选择适当的发射功率。在成簇阶段，还将利用这个信息来均衡簇头的负载。

　　阶段2：簇头选举阶段全局范围内预先设定一个0～1之间的阈值T，用来控制参加簇头竞选的节点比例。每一个节点生成一个0～1之间的随机数，记为u。若u

　　式中：T为最大约定的最大延迟时间;Eresidual为节点剩余能量;Eini是节点原始能量。

　　阶段3：成簇阶段簇头向网络所有节点广播自己成为簇头的消息HEAD_AD，内容为簇头节点的标识及该节点与基站的距离。普通节点接收到此消息后选择一个通信代价cost(CH)最小的聚类加入，并发送消息JOIN_REQ。通信代价表达式为：

　　式(5)中参数与式(2)和式(4)表示的意义相同。从式(5)可以看出，该通信代价综合考虑了节点与簇头的距离、簇头与基站的距离及簇头的剩余能量。从而实现了由聚类成员节点选择剩余能量较大，与自己距离较近，与基站距离较小的簇头形成簇，达到能量均衡的目的。

　　阶段4：数据传输阶段簇头向所有成员节点广播TDMA通信时隙调度信息TDMA_SCHEDULE。成员节点按分配好的TDMA时隙在某个时刻将自己检测到的数据发送给簇头。簇头在接收聚类成员发送数据的过程中进行数据融合，并将融合后的数据直接传输给基站，该过程采用单跳的通信方式。

　　4 ADEECS协议仿真与分析

　　仿真中，使用Matlab作为仿真平台，采用与文献[3]相同的能量消耗模型。仿真参数如表1所示。

　　文中将ADEECS与EECS和LEACH协议性能进行仿真对比。

　　4.1簇头分布的仿真对比

　　LEACH簇头个数取最优值。在仿真中，LEACH簇头个数为6;取T=0.15，R=26，w=0.8。由3种协议的簇头分布图(图2～图4)可以看出，LEACH协议簇头随机分布;EECS协议簇头分布比较均匀，但存在簇头漏洞问题;ADEECS协议簇头真正实现了均匀分布。所以，提出的延迟发送竞选消息的方法很好地解决了LEACH和EECS协议在簇头选举过程中存在的问题。

[p] 4.2网络寿命的仿真对比

 

　　定义第一个节点的死亡时间为无线传感器网络的网络寿命，用工作轮数表示网络的工作时间。如果剩余节点过少，那么整个网络的存在就毫无意义。仿真中为了更好地对比仿真结果，仿真曲线只选取剩余节点数大于50的情况。仿真结果如图5所示。

 

　　由图5可以看出，在成簇阶段，ADEECS协议综合考虑了簇头剩余能量、簇头与基站的距离以及簇成员节点与簇头的距离。这种通信代价计算方式很好地提高了网络性能，有效地延长了网络生命周期，达到了协议目的。

　　5结语

　　通过对无线传感器网络中典型分簇路由协议、LEACH协议和EECS协议进行的研究和分析，提出了一种改进的分簇方案ADEECS。利用延迟发送竞争消息的方法和新的通信代价公式很好地解决了EECS协议存在的问题，实现了簇头的均匀分布，有效地延长了网络寿命。