基于DSP的双轮倒立摆小车设计

徐泽堃

[摘 要]为了提高倒立摆系统的自由度、控制稳定性及实时性，本文以DSP为核心设计了双轮倒立摆小车控制系统，实现了双轮倒立摆小车在倒立平衡位置稳定性控制及运行过程中的稳定性控制。实验结果表明，本文提出的双轮倒立摆小车控制器的设计及控制策略是可行的，具有稳定性，实时性突出等特点。

[关键词]双轮倒立摆系统；DSP；MS320LF2407；控制器

中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0008-02

1、引言

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，踪性等许多控制中的关键问题，其稳定性控制与实现一直是研究热点与难点。随着现代工业的要求和微电子技术的进步， DSP（ Digi tal Signal Processor ， 数字信号处理）应运而生。其运算速度更快、 功能强大，低功耗等特点使其广泛地运用于数据处理、 语音识别、 视觉处理、 运动控制等数据量多、运算速度要求高和实时性强的系统。本文将DSP应用到倒立摆系统的控制中，设计了基于DSP的双轮倒立摆小车。与台式倒立摆系统相比，它有更多的运动自由度，并可以脱离计算机实现离线工作，具有实时控制能力强，功能更易于扩展等特点。

2、系统建模

双轮倒立摆小车由一对步进电动机、一对光电码盘、 一个安装

了电池盒的摆杆、 一个陀螺仪、 一个 DSP 芯片板和一个底盘及一对小轮组成。如图1所示。

倒立摆系统的模型参数如下：

则有摆杆角度与小车加速度之间的传递函数为：

3、控制器设计

1） 控制器硬件设计

主控芯片选用TMS320LF2407芯片。该款DSP油美国TI 公司生产。TMS320LF2407芯片是TI公司TMS320系列中的一种16位定点DSP芯片，？是目前应用最为广泛的芯片。基于TMS320C2xxDSP的CPU核结构设计提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力，对电机的数字化控制非常有用。同时，几种先进的外？设被集成到该芯片内，形成了真正意义上的数字控制器。

LF2407？DSP具有TMS320系列DSP的基本功能之外，还有其自身特点：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功率损耗； 30MIPS的执行速度是的指令周期缩短到33ns（30MHZ），从而提高控制器的实时控制能力；基于TMS320C2XX？DSP的CPU内核保证了TMS320LF2407DSP代码和

TMS320系列DSP代码 兼容；片内有高达32K字×16位的Flash程序存储器；高达2.5K×16位的数据/程序RAM；2K 字的单口RAM；SPI/SCI引导ROM；？ 两个事件管理模块EVA和EVB，每个均包括如下资源：两个16位通用定时器；8个16 位的脉宽调制通道（PWM），可以实现三相反相器控制、PWM的中心或边缘校正、当外部引脚＼PDPINTX出现低电平时快速关闭PWM通道；防止击穿故障的可编程的PWM死去控制；对外部事件进行定时捕获的3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道的同步ADC转换器。？可扩展的外部存储器具有192K×16位空间，分别为64K字程序存储空间，64K字的数据 存储空间和64K字的I/O存储空间；？看门狗（WD）定时器模块；10位的ADC转换器，其特性为：最小转换时间为500ns，

16个多路复用的输入通道、可 选择两个事件管理器来触发两个8通道输入ADC转换器或一个16通道输入的A/D转换器；基于锁相环（PLL）的时钟发生器；高达41个可单独编程或复用的通用输入输出引脚（GPIO）；？5个外部中断（两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）；电源管理，具有3种低功耗模式，能够独立的将外围器件转入低功耗工作模式。该芯片将实时处理与外围设备控制功能集于一身，特备适合双轮倒立摆小车系统控制、测量对象较多，程序庞杂，扩展空能要求较多，实时性的要求。

以该芯片为核心，采用Allegro公司生产的全桥式 PWM 电机驱动芯片A3952SB实现步进电动机的控制，采用MAXIM 公司生产的SMITH式脉宽调制DC- DC 降压芯片MAX831、 北京方圆公司生产的24 V 转5 V 电压转换模块SF5W， 5 V 转3. 3 V 电压转换芯片AS1117 ， 3 V 精准电压芯片REF193 ，实现硬件控制系统电源管理，采用 I S61LV6414实现64 K 高速外接存储器扩展，从而构建双轮倒立摆小车硬件控制器。

2） 控制器的软件设计

控制器的软件设计采用的是TI 公司提供的 CCS 软件开发系统。使用循环周期中断触发机制对系统进行高度实时的控制， 每个周期中完成了对输入的模拟信号的软件滤波， 实时计算反馈向量及给出控制量， 实现反馈控制。软件流程图如图3所示。

4 参数测定

在完成系统的双轮倒立摆小车硬软件设计后， 基于本文所建立的数学模型方程的基础上，实现闭环控制。为了最大限度达到控制要求， 根据小车倒立摆系统的控制要求，选取反馈系统零状态响应的响应时间、反馈系统零状态响应的最大超调量、双轮倒立摆小车实际能达到的控制能力作为闭环期望极点的选择依据。

实验结果如表1所示。

5 结论

本文设计的双轮倒立摆小车可在离线的情况下，快速地实现倒立、保持倒立状态下的自由位置移动大约15 min 左右。软硬件设计基本上达到了预先设定的目标。但还存在如功能较为单一，控制冗余度不够、平衡稳定时间较短、运动学分析欠缺等缺点。下一步将在原来的系统上进一步优化， 融入鲁棒控制、模糊控制， 接入红外线遥控接口， 语音识别系统等来实现更多的功能。

参考文献

[ 1 ] 刘和平，等. TMS320LF240xDSP结构、远离及应用 [ M] .北京： 北京航空航天大学出版社， 2001.

[ 2 ] Felix G， Aldo D A， Silvio C ， et al. JOE： A mobile ， inverted pendulum[ J ] . IEEE Transaction on Industral Electronics，2002， 49（ 1）： 8 -12.