（机械电子工程专业论文）基于dsp与fpga的全自主机器人的控制系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着数字摄像头技术、通信技术、电机控制技术、数字图像处理算法、d s p 芯片技 术、蓄电池技术等不断发展，现代机器人越来越智能化，朝着全自主带视觉的方向发展， 它将是多种高新技术的融合体。例如r o b o c u p 里的中型足球机器人，它的视觉系统是 全维彩色视觉，它拥有双目互补的高级摄像头。它的运动控制器是t it m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 运动控制系统，能实现高性能数字闭环控制。 本文提出全自主机器人控制系统的总体设计方案。本文设计了一个以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心的主控制板附上了详细的电路原理图。采用i g b t 功率管，功率管驱动器， 线性光耦等芯片构建了全桥驱动电路板。软件上采用了带死区的p w m 技术和数字p d 闭环控制理论。在硬件和软件上都设置了各种保护措施如过压保护和过流保护。主板上 预留了串口，c a n 总线接口，i i c 总线接口，用于实现与视觉处理系统之间通讯。 本文对控制系统的硬件和软件的设计分别进行了详细介绍与说明，给出了主控制板 的原理图，程序的流程图，实物图，示波器上显示的波形等等，最后，对整个控制系统 进行了详细的总结与展望。 关键词：无刷直流电机；p w m ；数字p i d 控制；三相全桥逆变电路；d s p 2 8 1 2 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i l l u o u s d e v e l o p m e m o fd i 百t a lc 锄e r at e c 1 1 1 0 l o g y ，c o m m 删c a t i o n s t e c l l i l o l o g y ，m o t o rc o n t r o l ，d i g i t a lh a g ep r o c e s s i l l ga l g o r i 也m s ，d s pc l l i pt e c l l l l o l o g y ，b a n e r y t e c h n 0 1 0 9 y ，m o d 锄r o b o ti s m o r ea 1 1 dm o r ei 1 1 t e l l i g e n t ，t o w 砌st h ed e v e l o p m e n to f a u t o n o m o u sv i s u a ld i r e c t i o n i tw i ub eav 撕e t yo fl l i 曲t e c h 血s i o n hh a s 缸【v a n c e db i l l o c u l a r c 锄e r a i t sm o t i o nc o n t r o l l e ri sa 血et m s 3 2 0 f 2 812m o v 锄e mc o n 心o ls v s t e m i tc a i lr e a l i z e h i 曲- p e r f o 肋a n c ed i g i t a lc l o s e d l o o pc o n 仃d 1 t l l i sp a p e rp r e s e n t sam l l ya u t o n o m o u sr o b o tc o 蛐r 0 1s y s t 锄d e s i 笋p l a l l 1 1 1 i sp 印e r d e s i g n sam a i nc o n n o lb o a r dw b j c ht a k e sat m s 32 0 f 2 8 l2c h i pa st h ec o r e ，a n da t t a c ha d e t a i l e dc i r c u i ts c h 锄a t i c i g b tp o w e r t u b e ，p o w e rt u b ed 矗v e ，l i i l e a rm eo p t o c o u p l e ra n do t h e r c h j p sb u i l da 如l l - b r i d g ed r i v e rc n u i tb o 莉n l es o 觚a r eu s e sp w mt e c l l l l o l o g yw 油d e a d z o n ea n dd i g i t a lp i d c l o s e d 一1 0 0 pc o n 仃o lt h e o 秽h 砌w a r ea i l ds o 脚a r ea r es c tt 0av a r i 啊o f p r o t e c t i v em e a s u i e ss u c ha so v e r v 0 1 t a g ea n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n o nt h em o t l l e r b o a r dh a s s e r i a lp o r t s ，c a nb u si r l t e r f a c e ，i i cb u si i l t e r f a c ef o rc o m m u l l i c a t i o nb e t w e e nt h ev i s u a l p r o c e s s i n gs y s t e m t l l i sp 印e rc a r r y so u tad e t a i l e di n t r o d u c t i o nf o r l ed e s i g no f c o n 仃o ls y s t 锄h a r d w a r ea n d s o 胁a r e ，t h i sp a p e r 西v e st h em a hc o n t r o lb o a r ds c h e m a t i c s ，p r 0 伊锄f l o w c h a r t s ，p h y s i c a l m 印，w a v e f - o md i s p l a y e do na no s c i l l o s c 叩e f i n a l l y ，im a l ( ead e t a i l e d 黜a 巧锄do u t l o o k f o rt h ee n t i r ec o n d ls y s t e m k e yw o r d s ： b m s h l e s sd cm o t o r ；p w m ；d i g i t a lp c o n _ t 1 o l ；t 1 1 r e e p h a s em l l - b r i d g e i n v e r t e rc i r c u i t ：d s p 2 812 l l 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的研究背景 在现代社会中，机器人已获得了越来越广泛的应用，遍及各种工业技术领域、空间 技术以及日常生活中，涉及到农林水产、土木建筑、海洋开发、医疗、军事侦查等等。 机器人学是一个多学科交叉的领域，涉及很多学科，包括机械设计、电子信息、传感器 学、控制理论、通讯技术、语音识别技术、d s p 芯片技术等等。 视觉系统是全自主移动机器人的主要特征，人类所感知的所有的信息中，有百分之 八十以上是通过眼晴获得的。超声或红外传感器感知信息量有限，鲁棒性差，只能起到 辅助作用。只有在机器人上装了“眼晴”，机器人才真正向人的意义上靠近。 随着，数字图像技术的不断进步，图像模式识别技术日益成熟，各种常见的边缘检 测、颜色识别、中值滤波、均值滤波算法和各类智能算法，比如神经网络、聚类算法、 模糊聚类算法、遗传算法等等在智能识别领域不断地应用。另外，光学技术突飞猛进， 摄像头技术也不断发展，分辨率越来越高，寿命越来越长，双目仿人摄像头也成功被研 制出来，并应用，双目摄像头可以测出，移动物体的三维坐标，即x 轴，y 轴，z 轴。 上述的技术把机器人带入到一个全新的全自主视觉时代，人类大部分的信号是通过 双眼睛来获得的。如今我们的机器人也是装上的自己的眼睛，并且可以根据设定的好的 程序，识别各种特定的目标，然后做出各种动作，实时跟踪多种目标。 现今的视频图像处理技术的研究有以下几种趋势：1 基于通用的p c 机，适用于算法 的仿真，不适用于对图像的实时处理。2 基于可编程的f p g a ，采用f p g a 可以利用他 的并行处理速度来处理算法，但设计难度大，复杂度高，开发费用贵。3 基于a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i 6 ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，它的优点就是处理效率较高，但是范围受限。 4 基于通用的d s p 芯片，优点是设计简单、灵活、适用于新设计出来的算法验证。但是 由于d s p 算法是软件编程实现、串行执行，这样处理效率比较低，远不如f p g a 的处 理速度，从而在实时性上得不到很好的满足。4 基于d s p + f p g a 相结合的方式，可以充 分发挥各自的优势，缩短开发周期，提高系统的效率。其中，f p g a 可以做一些图像采 集和重复率很高的如中值滤波和c a n n y 边缘检测的算法。而d s p 可以做一些更高端的 智能算法，如人脸识别等等。例如美国t i 公司的基于达芬奇技术的t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 a r m + d s p 双核处理器，集成了2 9 7 m h z 的a r m 9 2 6 e j s 内核与5 9 4 m h z 的c 6 4 x + d s p 内核，它能成功处理各种视频算法。 与机器人视觉相配套的就是机器人运动控制系统，被控制的量为机器人端部执行装 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 置的位置、速度、加速度和力等。机器人是一种比较复杂的自动化装置，对它的控制与 驱动提出的主要要求有如下几点：l 、要有较好的定位精度与较宽的调速范围。2 、机器 人驱动系统的静差率要小3 、动态响应要快，跟踪误差要尽量小。4 、需要采用加减速控 制。 类似于一般的机械电子产品，机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、 电机驱动、机载发动机驱动等4 种基本方式。当前，电机驱动方式是机器人驱动的主流 方式。电动机是机器人驱动系统的执行元件，常采用步进电动机、直流伺服电动机或直 流无刷电动机。由于直流刷电动有众所周知的独特优点，所以在机器人伺服控制驱动中 获得了十分广泛的应用，占据着主导地位。 例如r ( ) b o c u p 里的中型足球机器人，它的本体：4 5 c m 4 5 c m 6 5 c i n 它的视觉系统 是全维彩色视觉，双目互补的高级摄像头。它的运动控制器是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 运动控制 系统，能实现高性能数字闭环控制。运动硬件是瑞士m a x o n 直流电动机及驱动器。移 动方式：两个独立驱动轮，一个被动支撑舵轮。最大线速度：2 m s ；最大角速度： 3 6 0 。s 【1 3 】。它的外形如图1 1 所示： 图1 1r ( b 0 c u p 里的中型足球机器人 f i g 1 1r 僦l l ps o c c e r r d b o t i n t h c m c 蛐一s i z c d 1 2 国内外研究现状 本文把无刷直流电机作为机器人的运动控制电机。目前，在中国习惯上把只有梯形 波方波无刷电机称为无刷直流电机( b m s h l e s sd cm 砷d r ，b u ) c m ) ，而正弦波无刷电机 则被称为永磁同步( p 伽m n e n tm a g n 税s y n c h r o n o u sm 咖r ，p m s m ) 。本文所说的无刷电 西华大学硕士学位论文 机都是指方波无刷直流电机。 1 8 3 1 年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，经过1 7 年努力，直流电机技 术趋于成熟。 1 9 1 5 年，美国人l 锄舯u i r 研制成了直流变交流的逆变装置。 1 9 5 5 年，美国的h 枷o s n 首次提出了用晶体管换相线路代替电机机械电刷换向装 置，这就是最初的无刷直流电机雏形。但是这种无刷电机没有起动转矩，无法产品化。 1 9 6 2 年，伴随着半导体技术的飞速发展，有人把霍尔元件用作无刷电机位置的检测， 从此，无刷电流电机迅速走向产品化。 1 9 6 4 年，无刷直流电机被美国国家航空航天局( n a s a ) 使用，用于卫星资态控制、 太阳电池板的跟踪等等。 1 9 6 8 年，德国入m i e s l i n g e r 提出采用电容移相实现换相的新方法，后来德国人研制 了出无位置传感器的无刷电流电机，这样无刷电机的应用领域就更加广了【4 巧】。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、检测技术以及 自动控制技术特别是绝缘双极晶体管( i g b t ) 等大功率开关器件的发展，无刷直流电 机不断向高频化、智能化方向飞速发展。 近年来，单片机，特别是数字信号处理器( d s p ) 、现场可编门阵列( f p g a ) 等 微处理器神速的发展。芯片处理主频和存储器成指数增长，特别是片内f l a s h 技术的 发展，大大简化的芯片外围储存设备。芯片一上电，直接从内部的f l a s h 里，复制程 序到内存中运行。 无刷电机虽有众多优点，但是也有一些缺点比如转矩波动比较大。不过，一些先进 的控制策略和方法，如神经网络控制、模糊控制、自适应控制等智能控制策略不断被应 用到无刷直流电机的控制系统中。在一定程度上弥补的无刷电机的不足。提高了转速动 态和稳态响应用范围，扩大了无刷电机的应用范围。 目前无刷直流电机又分为有位置感传器和无位置传感器无刷直流电机。无位置传感 器无刷直流电机体积更小，应用领域更加广泛，但是控制算法难度相对较大，往往都是 基于现代控制理论和智能算法的，编程难度较大。本文只研究有位置感传器的无刷直流 电机。 国内的天津大学教授、博士生导师，夏长亮对无刷电机的控制有深入的研究，发表 了很多篇的很有参考价值的论文，出版了几部无刷直流电机控制系统的书籍。在无刷电 机智能控制方面做出了突出的贡献。北京航空航天大学的刘刚老师也对永磁电机控制技 术有深入的研究并出书立著，特别是用f p g a 控制无刷电机的领域f 4 9 】。 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 1 3 本文研究的主要内容 本课题的研究目的： 设计一个用于机器人视觉跟随系统的运动控制系统，也可以用于小车机器人的驱动 控制，可以进行实时跟踪，速度，位置闭环控制。预留了串口，c a n 总线接口，i i c 总线接口，用于实现与视觉处理系统之间通讯。 本文研究的主要内容： ( 1 ) 本文提出全自主机器人控制系统的总体设计方案。全自主机器人视觉采用 d s p + f p g a 结构。f p g a + d s p 6 4 实现实时图像的采集，分析，颜色识别，形状识别，目 标跟踪算法的现实等等。t m s 3 2 0f 2 8 1 2 用作电机控制。本文介绍了无刷直流电动机的 基本结构和基本原理，系统地总结了b l d c m 控制系统原理。 ( 2 ) 本文以美国德州仪器的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心控制芯片，设计了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主控制板，采用双供电d s p 电源设计，选择了3 0 z 晶振，引出了d s p 上所有的接 口，包括两个串口，一个c a n 总线通讯接口，两个事件管理器的所有接口p w m l - 1 2 和两路c a p q e p ( 捕获正交编码) 接口等等。 ( 3 ) 采用6 个i g b t 功率管，3 个也1 1 0 驱动器，2 个线性光耦h c n r 2 0 0 芯片等 等构建了全桥驱动电路，六路p w m 控制信号输入，采用高速光耦完全隔离高压与低压 侧的p w m 驱动信号，保证驱动板不受高压干扰。针对功率管上下桥臂直通情况，设计 了硬件保护和软件保护，同时在软件上设置过流保护和过压保护。直流侧电流、电压的 采样，都是有线性光耦隔离的。无刷电机的电压的范围可以从2 4 到1 2 0 v 。并对各重要 电路及元器件参数选型做了详尽阐述。 ( 4 ) 详细阐述了控制系统的软件设计流程和各主要功能模块的功能，给出了部分 程序代码，包括了c 加文件的编写。重点介绍了带死区的p w m 技术，数字p d 程序 的编写，a d c 电压、电流采样程序的编写，电机换相技术，电流、速度和位置检测技 术。最后附上了主控制板的原理图，程序的流程图，实物图，示波器上显示的波形等等。 4 西华大学硕士学位论文 2 总体方案设计 2 1f p g a + d s p 结构优点 常见的视频处理系统主要有两类：一类是基于单处理器( 单片机、d s p 、删) 的 采集卡，特点是结构简单，但处理速度较慢，无法对视频的数据进行实时处理，需要外 部加处理器开发视频算法，这样导致成本高、升级困难。另外一种是基于主从处理 ( d s p + f p g a ) 的嵌入式系统，特点是高集成，易于维护，它们之间协调不但可以满足 图像的采集，还可以完成视频算法的开发，这样大大的节约了开发成本和周期。 d s p + f p g a 结构，整合了d s p + f p g a 的所有优点。f p g a 具有硬件的高速性，d s p 具有 软件的灵活性，两个相结合，是取长补短。一个由d s p + f p g a 构成的实时图像信号处理 系统中，大部分图像数据在实际应用前都需进行有针对性的预处理，如对图像进行增强、 滤波、锐化、除噪、边缘检测等等。这些处理算法重复率高，数据量大，而且要求速度 高，适于用现场可编程门阵列f p g a 进行硬件实现。高层处理算法的特点是所处理的数 据较低层算法少，但算法的控制结构复杂，如指纹识别，人脸识别，形态识别，车型识 别，动物识别，颜色识别，文字识别等等，这些识别算法，如果用f p g a 语言描写话， 难度极大，但是在c 语言高度发达的今天，就很容易移植到d s p 里，设计也很灵活l m 。1 1 。 2 2 系统总体设计方案 图2 1 总体方案设计 f i g 2 1 t h eo v e r a l lp r o g 捌nd e s i 印 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 本课题组设计了一个嵌入式视觉采集、处理与控制的方案，其中f p g a + d s p 6 4 实现 实时图像的采集，分析，颜色识别，形状识别，目标跟踪算法的现实等等。t m s 3 2 0f 2 8 1 2 用作电机控制。系统结构图如图2 1 所示。 方案选用了e p 2 c 2 0 q 2 4 0 作为前期图像的处理器。该芯片提供了丰富的硬件资源， 具有1 4 2 个用户i o 引脚，1 8 5 7 2 个逻辑存储单元，5 2 个m 4 k 洲，4 个p l l s 。 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 处理器工作高达6 0 0 m h z ，c 6 4 + 内核具有8 个独立的功能单元， 包括两个3 2 位的乘法单元和六个3 2 位的算术逻辑单元( a l u ) 。可以达到4 8 0 0 m i p s 的 计算能力口。m 6 4 3 7 的片上，集成了很多的外设接口，如以太网接口，i i c 接口，h p i 接口，e m i f 接口，u a r t ，v n 烈q ，高端c a n 控制器( h e c c ) 等等。这款芯片已经广 范用于机器人视觉系统和视频安全方面。 t i 的c 2 0 0 0 系列的芯片，已经在电机控制领域内，处于类似垄断地位。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是2 0 0 0 系列里比较出色的一款。3 2 位定点数字信号处理器，系统周期为6 6 7 n s 的处理 速度，运算速度可达1 5 0 m 口s 。两个事件管理器模块，1 2 位1 6 通道的a d 转换模块， 板上有零等待1 2 8 ks r a m 。它能控制几乎所有种类的电机，已经在直流逆变领域应用 得十分广范，堪称最佳控制平台。 设计思路：首先通过c c d 摄像头获取外部图像，然后利用d s p 内部的多通道缓冲 串行接口m c b s p 配制1 2 c 总线对解码芯片s a a 7 1 1 3 h 的寄存器进行配置，将模拟的p a l 制式的视频信号转换为y u v 4 ：2 ：2 的数字视频信号，最后将出来的信号在f p g a 的处理 器进行处理。其处理过程如下：首先通过视频解码模块分别对视频信号的场和行统计并 输出一些控制信号和8 b i t s 的图像数据。接下来数据分两方向走，一方面存于外部的 s ra m 中便于在p c 机显示，另外一方面直接用于颜色识别与边缘检测。在颜色识别当 中，首先通过颜色转换空间把y u v 的视频信号转换为r g b 格式的视频信号，然后进入 颜色识别模块，把识别出来的颜色与边缘检测模块检测出来的形状结合完成目标统计， 并把最终统计出来的结果保存在外部的s 洲中以便上位机或d s p 调用。d s p 与f p g a 之间通过e m i f ( 外部存储器接口) 的方式访问，各个模块与s 删进行数据交换通过 w i s h b o n e 共享总线互联访问的方式实现。 经过f p g a 和d s p 6 4 的图像处理之后，找到目标，并算出目标的x 坐标和y 坐标。 通过串口或i i c 总线或c a n 总线，把目标的坐标值传给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制相应的电机，作出相应动作。 本文作者由于时间经历有限，只对整个系统的电机控制部分做了深入的研究，实时 图像处理与分析部分，则由另外几名同学完成。 6 西华大学硕士学位论文 2 3t m s 3 2 0 f 2 8 12 的通信方式 ( 1 ) 1 2 c 总线可以将多个符合1 2 c 总线标准的器件通过同一总线连接起来通信，而 不需要额外的地址译码硬件电路。多个器件互连，总线上可同时挂接多个1 2 c 器件，每 个器件通过唯一的地址区分，不需要单独的地址译码。通信速率高。1 2 c 采用双线制， 仅有两根信号线节省芯片的端口，方便硬件设计。f 2 8 1 2 有1 2 c 总线接口，d m 6 4 3 7 也 有i z c 总线接口。利用1 2 c 接口，两个d s p 可以进行通信或数据交换。在通信时，我们 可设置f 2 8 1 2 的1 2 c 接口工作在从属( s 1 a v e ) 方式，由d m 6 4 3 7 实现主控制。图2 2 是多 d s p 芯片1 2 c 器件连接图。 由 串 v d d 行数据s 。a 考蔷圭 i i 警孑l 警孑i i1 行时钟s f t t t 2 8 1 2 1 2 c 1 2 ce p r o m 图2 2 多1 2 c 器件连接图 f i g 2 21 2 cd e 啊c e sc o n n e c t e dd i a g r 撇 ( 2 ) 串行通信接口( s c i ) 是采用双线制通信的异步串行接口( u a r t ) 。s c i 模 块采用标准非归零n r z 数据格式，能够实现多c p u 之间或同其他具有兼容数据格式s c i 端口的外设进行数据通信。d s p 2 8 1 2 的串行通信接口( s c i ) 可独立的发送和接收中断 使能控制，有通信速率自动检测和f i f o 缓冲等功能。它能与各种带有s c i 的微控制芯 片，直接通信，如5 1 单片机，a r mc o r t e x ，d s p 6 4 3 7 等等。本文就用5 1 单片机，模 拟了d s p 6 4 3 7 的串口信号与d s p 2 8 1 2 进行了通信，输入电机的速度，位置等值，现实 了闭环控制的目的。主板上预留了标准r s 2 3 2 接口，可与p c 机异步通信，在p c 机上 可以方便地编写上位机程序实现监控的目的。 ( 3 ) 当机器人中所控制的电机比较多，或需要与另外一些设备，进行高速，网络 化等比较复杂的通信时，而且要求在强噪声干扰和恶劣工作环境中可靠地工作时，上述 的两种通信方式往往不能满足要求。c a n 总线的数据通信具有突出可靠性、实时性和 灵活性，它被认为几种最有前途的总线之一。c a n 总线并不采用物理地址模式传送数 据，每个消息有自己的标识符用来识别总线上的节点。节点利用标识符确定是否接收总 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 线上传送的消息。c a n 总线访问采用多主原则，所有节点都可以作为主节点占用总线， 它的安全性高，通信速率最高达1 m i t s 。d s p 2 0 0 0 系列和6 0 0 0 系列的所有芯片硬件上 都设置了c a n 总线接口，所以2 8 1 2 与6 4 3 7 通信起来十分方便。图2 3 为n 个( 最多1 1 0 个) 节点控制器在c a n 总线上的连接情况。 图2 3 基于c a n 总线n 个节点的局域网 f i g 2 3 nn o d e so f t l l ec a nb u sl a n 西华大学硕士学位论文 3 控制系统的硬件设计 3 1 无刷直流电机的基本结构和基本原理 传统的直流电机具有良好的启动特性( 响应快速) 、较大的起动转矩、较宽的调速 范围及简单的控制原理等优点。但是直流电动机是依靠换向器和机械电刷换向，机械电 刷和换向器不断地接触会产生噪声、火花等等，是机械的东西就会不断地磨损的，所以 寿命一般不长，调速精度也不好，限制它的使用场合。 无刷直流电机( b l d c m ：b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ) 是近年来伴随着电子电力 技术的迅速发展而飞速发展起来的一种新型电动机，已经在各种驱动装置和伺服系统中 得到广泛地应用，如机器人，电动汽车、电动自行车、医疗设备等方面和领域。无刷直 流电动机利用电子换向器取代机械电刷和机械换向器，它的基本工作原理是，位置传感 器反应电机转子的位置，它把位置信号变换成电信号，控制电子开关，驱动逆变电路的 功率开关元件，从而使定子各相绕组按一定的次序导通，电动机就会产生持续的转矩， 各相绕组导通的顺序都是取决于位置传感器的信号上升沿和下降沿。这样就实现了无刷 直流电机电能向机械能的转变。 直流无刷电机有着自己独特的优点。它保留了直流电机所有优点，它利用电子换相 器件取代了机械电刷和机械换相器，解决了磨损问题，它具有高效率、高转矩、高精度 的三高特点，而且又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点。与传统直流 有刷电动机或交流变频调速电动机相比，无刷直流电机具有更好的性能，概括为： ( 1 ) 良好的调速转矩特性。良好的动态响应特性。较高的调速范围。具有直流电 动机的运行特性。 ( 2 ) 可实现无噪声运行，可工作于高速状态，可靠性强，工作寿命很长，无需经 常维护。 ( 3 ) 采用永磁产生气隙磁场，功率因数高，转子的损耗和发热低，有较高的效率， 同容量的无刷直流电动机效率要达9 2 4 。正切合了国家的节能减排的要求。 ( 4 ) 体积小、质量轻、可做成各种体积形状。抗去磁能力强。磁路设计简化。 ( 5 ) 方波电机设计、方波驱动。 在要求高精度、高速度、高可靠性数控系统中，采用永磁无刷直流电动机的闭环交 流伺服系统已经成为主流。 任何事物都两面性，无刷直流电动机也有不足之处，主要是： ( 1 ) 必须有电子控制部分，需要有电子多相逆变驱动器。所以总成本比有刷直流 9 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 电动机高。 ( 2 ) 转子永磁材料限制了电机使用环境温度，不适于高温场合。 ( 3 ) 有较明显转矩波动，限制了电机在特别高性能伺服系统中的应用5 一】。 电动机本体、电子开关线路( 逆变器) 和位置传感器是构成无刷直流电动机的主要 几个部分如图3 1 所示，其工作原理框图如图3 2 所示。 图3 1 无刷直流电机组成框图 f i g 3 1c o i r l p o s i t i o nb l o c kd i a g r 砌o f b m s h l e s sd cm o t o r 直流电源卜-一逆变器1 永磁电动机本体 千 山 控制信号位置检测 t j 控制器 图3 2 无刷直流电机工作原理框图 f i g 3 2 s c h e m a t i cb l o c kd i a g r 锄o f b m s h l e s sd cm o t o r 3 3 1电机本体结构 无刷直流电动机采用方波自控式永磁同步电动机，无刷直流电动机的定子绕组通常 制成多相( 3 相、4 相、5 相不等) ，转子是由永磁材料制成的，具有一定的磁极对数的 永磁体，转子是由永磁钢按一定的极对数( 2 p ：2 ，4 ，) 组成的。无刷电机的转子磁钢的 形状呈弧形，产生梯形波感应电动势。无刷直流电机电机本体结构与直流电机相反。电 动机本体的主要部件有主转子和主定子，如图3 3 ，3 4 所示， ( 1 ) 主定子 主定子是电动机本体的固定部分。它有导磁的铁心、导电的电枢绕组和其它一些辅 l o 西华大学硕士学位论文 助组成，比如机壳、绝缘片、槽契等等。 定子铁心 定子铁心由硅钢片叠成，硅钢片可以大大地减少主定子的铁损耗。冲片表面要涂绝 缘层，可以减少铁心的涡流损耗，铁心做成斜槽可以减少噪音和寄生转距。 定子绕组 电动机上电以后，电流流入绕组，产生磁场，与永磁转子相互作用，产生电磁转距。 绕组一般有集中绕组和分布绕组两种。第一种工艺简单，制造方便，空间利用率差，发 热集中，对散热不利。第二种工艺较复杂，能够克服第一种的一些不足。绕组由许多线 圈联接而成。每个线圈是由漆包线在绕线模上绕制而成。线圈的直线部分放在铁芯槽内， 其端接部分有两个出线头，把各个线圈的出线头按一定规律联接起来，即得到主定子绕 组。在保证功率的前提下，绕组应尽可能结构简单，可以节省有色金属和绝缘材料。 无刷直流电机的电枢接近于方波，每相感应电动势为梯形波，而外装式转子的电动 机的励磁磁场接近于矩形或梯形，若定子采用集中式绕组，就可以得到近似于梯形的感 应电动势。而为了获得最大转矩和最小的转矩脉动，又进一步要求电动势的平项部分与 逆变器输送的方波电流相匹配。最好采用每极每相集中式绕组，但是，考虑到齿槽定位 力矩和散热问题，需要增加槽数，采用分数槽绕组，这就可能减小感应电动势的平顶宽 度。无刷直流电机最好采用定子斜槽或转子斜极，通常斜过个定子齿距。 ( 2 ) 主转子是电动机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。 它由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。 永磁体和导磁体是产生磁场的核心，它由永磁体材料和导磁材料组成。无刷直流电 动机常采用的永磁材料有下列几种：铝镍钴合金、铁氧体及稀土永磁材料等。其中铝镍 钴合金已经逐步被铁氧体永磁、稀土类永磁材料所取代。特别是2 0 世界8 0 年代高磁能 积的钕铁硼永磁材料的出现和改进，极大地推动永磁电机的发展。导磁材料一般用1 0 号钢或工业用电工纯铁等。机械支撑零件起固定永磁体和导磁体的作用【5 。】。 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 麓子永磁 子传勰定子传感器转子 图3 3 无刷直流电动机结构 f i g 3 3 1 ks 仃u c t u r eo fb m s h l c 豁d cm o t o r 图3 4 定转子实物图 f i g 3 4 p i c t 山eo f t h e 鲥a t o ra n dn ，t o r 3 3 2 转子位置传感器 转子位置传感器是无刷直流电动机的一个重要零件。它决定着电枢各相绕组开始通 电的时刻。它的作用相当于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻 ( 相位) 相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大 的影响。 位置传感器一般也由定子和转子两部分组成。转子是用来确定电动机本体磁极的 位置，定子的安放是为了检测和输出转子的位置信号。传感器种类较多且各具特点。 可根据不同的原理构成如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。目前在 无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式【5 诏j 。 ( 1 ) 电磁式位置传感器。利用电磁效应制成，其原理如图3 5 所示，它具有较高的强度， 输出信号较大，不需要放大，但是它过于笨重复，极大地限制了在一般的条件下的应用。 1 2 西华大学硕士学位论文 图3 5 电磁式位置传感器 f i g 3 5m a 印e t i cp o s i t i o ns e n s o r 1 一输出绕组；2 一定子磁芯； 3 一转子磁芯；4 一高频输入绕组 ( 2 ) 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，如图3 6 所示，由发射光和接受光元件 组成，这样就可以检测转子磁极位置，控制电机定子三相绕组轮流导通光学位置传感器 产生的电信号一般较弱，需要以控制功率晶体管的放大。但它的输出是直流信号，不必 予以纠正，这是其优势之一。 图3 6 光电式位置传感器工作原理图 f i g 3 6 s c h e i l l a t i cb l o c kd i a g r 踟o fp h o t o e l e c t r i cp o s i t i o ns e n s o r ( 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是根据霍尔效应原理制成的，霍尔效应原理如图3 7 所示，对于霍 尔元件，当其处于图中所示的磁场当中时，通以控制电流i h ，那么，会在霍尔元件的两 端产生霍尔电动势e 。霍尔电动势e 用下面的公式表示： e ：r h 毕 ( 3 1 ) r h = 警p p ( 3 2 ) 一 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 。一一： 其中，r h 是霍尔系数( m 3 c ) ； i h 是控制电流( a ) b 是磁感应强度( t ) d 是薄片的厚度( m ) p 是材料电阻率( q m ) “是材料迁移率( m 2 v s ) 三 图3 7 霍尔效应原理图与霍尔集成电路内部原理 f i g 3 7 h a l le 艉c ts c h 黜a t i ca i l d h a l li ci i l t e m a lp 血c i p l e 霍尔传感器有很多种类型，这里我们介绍一下锁定型的，由于锁定型霍尔元件是双 极触发元件，所以通常锁定型霍尔元件的导通时间等于截止时间。其输出脉冲不受磁场 和元件特性的影响，脉冲波形是占空比为5 0 的方波，它有非常好的稳定性能和可靠性， 而且这个类型的价格也十分的低，适合于无刷直流电机的数字化控制。图3 8 表示锁定型 霍尔元件的输出特性及应用特性。 八八 v v t n 广。 图3 8 锁定型霍尔兀件的输出特性及输出波形 f i g 3 8o u 呐tc h m c t 翻s t i c sa n do u 印u tw a v e f o m l so f l o c 址gm eh a l le l e m e l l t a 输出特性b 输出波形 霍尔位置传感器一般由静止部分( 定子) 和运动部分( 转子) 组成。转子随电机主 轴一起转动，在转轴其他位置上安装的永磁转子，定子是由若干个霍尔元件，均匀等距 地安装在定子上，以检测电机转子的位置。图3 9 为霍尔位置传感器的结构示意图。它们 1 4 西华大学硕士学位论文 在磁场作用下会产生霍尔电势，经整形、放大后即可输出所需电平信号，构成了原始的 位置信号。 霍尔 转子 线圈 铁心 图3 9 霍尔位置传感器结构示意图 f i g 3 9 s t m c t i l r es c h 锄eo fh a l lp o s i t i o ns e n s o rs c h e m a t i c 3 3 3电子开关电路( 逆变器+ 逻辑信号处理) 电子开关电路的作用是将直流母线电压逆变成交流电压。在电子开关线路这一部 分，又可以分为电子逻辑信号处理部分和功率逆变开关部分，即主电路部分，主电路是 由电力电子器件组成的，它担负着电能的变换和调控任务。电力电子器件以开关方式工 作，使损耗总减小，从而提高电能的变换效率，它主要通过控制电压脉冲宽度和脉冲列 的周期以达到变压变频，从而把直流电压变成交流电压驱动直流无刷电动机运行。主电 路系统中，所采用的电力电子器件主要有整流二极管、功率晶体管( g t r ) 、功率场效 应晶体管( p m o s f e t ) 、绝缘门极晶体管( i g b t ) 、智能化功率模块( 口m ) 等等【1 2 0 3 】 表3 1 是几种电力电子器件特性的比较。 表3 1g t r 、p m o s f e t 、i g b t 和i p m 的特性比较 t a b 3 1c h a r a c t 舐s t i c so ft 1 1 eg t r ，t h ep m o s f e t ，i g b ta n di p m 开关器件g t r p m o s f e t i g b t i p m 驱动方式电流电压电压电压 开关速度p s 1 50 1 0 50 1 0 5 开关速度快 存储时间p s 5 4 2 0 无无无 高压化容易难容易容易 大电流化容易 难 容易容易 高速化 难 极容易极容易极容易 适用范围小功率电机中小功率电机小中大功率电机小中大功率电机 价格 便宜便宜便宜 很贵 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 i p m 内藏相关的外 外围电路相对较外围电路相对较有外围电路相对围电路，集成了过 其它特点复杂，开发时间复杂，开发时间相较复杂。开发时 压、过电流和过热 相对长。 对长。 间相对长。等故障检测电路开 发时间缩短。 3 2电机控制系统的硬件总体设计 永磁无刷直流电动机控制系统主要由控制部分、驱动及逆变电路部分、转子位置检 测及电流采样电路构成。其中，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 负责p w m 信号的生成、电流电压等模拟 信号的采样、转子位置信号捕获，正交编码器信号的捕获等任务，s c i 模块、i i c 模块 c a n 模块负责与其它芯片通信，如f p g a 或d s p 6 0 0 0 系统。驱动电路将t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片输出的p w m 信号进行功率放大，驱动功率开关管工作，本文采用瓜公司的也1 1 0 驱动功率逆变器；逆变电路由功率半导体器件i g b t 搭建而成，按一定的规律工作，将 直流电逆变转换供给电动机；霍尔位置传感器检测电动机转子信号，并送给m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理；电流采样部分完成对直流母线电流的采样，通过软件编程，可以实现过流保护等 等，电压采样，可以实现过压保护，或欠压提醒等等。控制系统硬件框图如图3 1 0 所示。 s c i 捕 h l 获 一 h 2转子位置 c a n 模 h 3 传感器 块 i i c p 一 wma 、 互 吕 m 6 n 1 3 7 i g b t 三相 v 7 譬 发 光电隔离 全桥逆变 l电动机 习 + 工r 2 1 1 0 电路 u 苎 生 n 电 驱动电路 1 f 路 交 a 电流检测 0 编 d 一 电压检测 1r 码 c t - z j * 口二， ，- 们”阻4 、碴厘性”1r 图3 1 0 控制系统硬件框图 f 培3 10 b l o c kd i a g r a mo fc 伽缸d ls y s t 锄h a r d w a r e 3 3电机型号的选择 本课题研究选择的无刷直流电机型号是5 7 b l t c 0 6 ，具体参数见表3 2 所示： 1 6 西华大学硕士学位论文 表3 2 无刷直流电机5 7 b l t c 0 6 的参数 t a b 3 2p 盯鲫t e r so fb r 哒h l e s sd cm o t o r5 7 b 【j c 0 6 极数 4 线数三相 额定工作电压d c 2 4 额定转速r p m 3 0 0 0 额定转矩n m o 4 4 额定电流a m p s 8 6 输出功率 w a n s 1 3 8 峰值扭矩 n m 1 6 峰值电流加n p s 2 5 8 转矩常数n m a 0 0 6 3 反电动势v 瓜r p m 6 6 转子惯量 g c n l 2 1 4 0 体长m m 1 0 6 5 质量 k g 1 2 5 电机外形如图3 1 1 所示： 3 4 主控制板设计 图3 1 15 7 b l t c 0 6 型号电机外形 f i g 3 11s h a p eo f 5 7 b l t c 0 6m o d e lm o t o r 3 4 1主控制器的选择 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 可以说是一款为电机控制专门设计的芯片，6 路两两互补的 p w m 可以用于全桥逆变电路的控制。d s p 片上整合了f 1 劬存储器、1 2 位高精度的a d 转 换器、增强的c a n 模块、正交编码电路接口、两个串口等外设。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 它是专 为电机控制应用而优化设计的单片d s p 控制器，片内集成了丰富的电机控制外围部件， 从而使整个数字控制系统的硬件大大简化。图3 1 2 是f 2 8 1 2 内部结构图。 基于d s p 与f p g a 的全自主机器人的控制系统的研究 3 2 位的d s p 2 8 1 2 运算速度非常快，能够在1 个周期内完成3 2 宰3 2 位的乘法累加运 算，或两个1 6 宰1 6 位乘法累加运算，能够完成6