第五章電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1、第五章電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的控制方案中，作者采用 TMS320LF2407A DSP 空制芯片作為系統(tǒng)的核心控制芯片。它具有很快的運(yùn)行速度，豐富的片內(nèi)外設(shè)等系統(tǒng)資源和強(qiáng)大的中斷 功能以及靈活豐富的指令集、高速運(yùn)算能力、內(nèi)部操作的靈活性、低功耗等特點(diǎn)， 使得在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的終極目的是：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)平滑穩(wěn)定的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)輪椅控制器的人機(jī)交互功能，具備完善的故障保護(hù)功能，且可以和PC 機(jī)通訊的功能，使得輪椅能夠在各種允許路況下都具有非常平穩(wěn)舒適的運(yùn)行性能。5.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案5.1.1 系統(tǒng)的控制方塊圖由第二章可知，本系統(tǒng)是采用

2、電壓負(fù)反饋、電流截止負(fù)反饋和電流正反饋補(bǔ)償 的控制算法實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)直流電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。調(diào)節(jié)器是數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)的控制方塊圖如圖 5-1 所示:圖 5-1 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制方塊圖由圖 5-1 可知，操縱桿的輸出信號(hào) X、丫經(jīng)過 S 曲線和左/右電機(jī)給定發(fā)生器后合成為左/右電機(jī)的給定信號(hào)，取電機(jī)兩端電壓以及電流采樣電阻電壓作為反饋信號(hào)。為了防止輪椅起動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)電流過大，本文采用了具有電流截止負(fù)反饋的電壓閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電流正反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)是為了補(bǔ)償由于電樞電阻引起的速降 以提高系統(tǒng)的機(jī)械特性。當(dāng)輪椅運(yùn)行在比較糟糕的路況時(shí)，輪椅的左 / 右電機(jī)在相 同的給定下，負(fù)載大小可能不同，這時(shí)當(dāng)用戶

3、本想徑直前進(jìn)時(shí)，輪椅可能由于左 / 右電機(jī)負(fù)載的不uurtn琨丟丘皈髓申卜僅* *,-KT *TWJ愴*fHWi同，而轉(zhuǎn)彎，圖 5-1 中的“負(fù)載不平衡時(shí)電流正反饋補(bǔ)償”環(huán)節(jié) 就是為克服這種情況而設(shè)計(jì)的。 S 曲線的設(shè)置使得輪椅在起 / 制動(dòng)時(shí)都能夠非常平 滑和舒適，保證了安全性。速度給定發(fā)生器和負(fù)載補(bǔ)償仲裁器是兩臺(tái)電機(jī)協(xié)調(diào)控制 的核心指揮部，它們保證了輪椅在二維平面上的自由運(yùn)行。5.1.2本系統(tǒng)軟件控制的時(shí)序?qū)τ谝粋€(gè)以 TMS320LF2407A 為核心控制芯片的控制系統(tǒng)來說，首要的任務(wù)是 確定系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)，其次是合理決定軟件中的中斷數(shù)量和順序。本系統(tǒng)在硬件上采用的是外部晶體振蕩器，其頻率

4、是 10MHz 在軟件中設(shè)定CPU 時(shí)鐘為 40MHz PWM 載波頻率為 20KHZ,系統(tǒng)的中斷頻率和 AD 采樣頻率也都 是20KHz。5.2系統(tǒng)軟件的主要功能模塊本輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件主要包括以下一些功能模塊 :(1) 初始化模塊 ;(2) 上電時(shí)操縱桿中心位置檢測(cè)程序 ;(3) AD 采樣子程序 ;(4) 電池電量檢測(cè)子程序 ;(5) 睡眠模式子程序 ;(6) 鎖存模式子程序 ;(7) 鳴笛子程序 ;(8) 加速度曲線給定子程序 ;(9) 速度按鍵處理子程序 ;(10) 速度按鍵鳴笛子程序 ;(11) 防積分飽和 PI 調(diào)節(jié)器子程序 ;(12) 延時(shí)子程序 ;(13) 顯示模塊。1)

5、初始化模塊本系統(tǒng)初始化模塊主要包括 :DSP 芯片初始化、液晶顯示器初始化、參數(shù)初始 化。其中 DSP 芯片初始化主要的任務(wù)是關(guān)中斷、定義堆棧宏、配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、禁止看門狗、配置系統(tǒng)寄存器、配置I/O 口、配置模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)模塊、配置事件管理器、串行通信接口 (SCI) 初始化、變量初始化、初始化成功鳴笛等。液晶顯示器初始化主要包括 : 定義液晶時(shí)序、指令集范圍、擦除液晶顯示屏， 為顯示數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。參數(shù)初始化主要是為本系統(tǒng)軟件所使用的一些重要參數(shù)，例如 PI 調(diào)節(jié)器參 數(shù)，休眠時(shí)間，最大正反向、轉(zhuǎn)向加速度等。2) 上電時(shí)操縱桿中心位置檢測(cè)程序當(dāng)操縱桿不在中心位置時(shí)，為了防止用戶突然上電開

6、動(dòng)輪椅造成安全隱患，在 上電系統(tǒng)初始化后即對(duì)操縱桿是否在中心位置進(jìn)行檢測(cè)，若操縱桿在中心位置，則 程序繼續(xù)往下執(zhí)行 ; 否則每隔一秒鳴笛一次報(bào)警，以示操縱桿不在中心位置，如果 十秒內(nèi)用戶釋放操縱桿到中心位置則鳴笛結(jié)束，程序繼續(xù)往下執(zhí)行，否則程序便進(jìn) 入死循環(huán)，用戶將無法開動(dòng)輪椅，此時(shí)的唯一解決辦法是 : 關(guān)了電源，把操縱桿放 到中心位置，重新上電。3) 模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)子程序AD 采樣子程序主要是對(duì)操縱桿輸出、電機(jī)兩端電壓、電機(jī)電流、電池電壓進(jìn)行采樣。TMS320F2407A DSP 勺 AD 具有十位精度，系統(tǒng)在軟件計(jì)算中一般將采樣 值變換為 Q12 格式。對(duì)于輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由于硬件中存

7、在大量的感性元件， 以及本文在硬件設(shè)計(jì)中并沒有將功率驅(qū)動(dòng)部分和控制部分進(jìn)行信號(hào)隔離，所以電路 中存在大量的干擾信號(hào)，尤其是與采樣周期同頻率的干擾信號(hào)。為此，對(duì)電機(jī)電流 和電壓采樣值采用了遞推平均濾波法 44 。遞推平均濾波法是把 N 個(gè)測(cè) 量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度為 N ，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，就把測(cè)量結(jié)果 放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有 N 個(gè)“最新”數(shù)據(jù)。 計(jì)算濾波值時(shí)，只要對(duì)隊(duì)列中的 N 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，就可以得到新的濾波值。遞 推平均濾波法對(duì)周期性干擾具有良好的抑止作用，而且還有平滑度高和靈敏度低的 特點(diǎn)。在本輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，N 取 8。4) 電池電量檢測(cè)

8、子程序電池電量檢測(cè)子程序?qū)?AD 采樣得到的電池電壓值換算成用戶可以識(shí)讀的十進(jìn) 制電壓值并由液晶顯示器顯示。在電池電壓不足時(shí)向用戶鳴笛警示，同時(shí)液晶顯示 電池電壓不足，給出充電提示。當(dāng)電池電壓低于某下限時(shí)，控制器會(huì)報(bào)警一段時(shí)間 如果輪椅此時(shí)正在運(yùn)行，則控制器報(bào)警一分鐘后封管抱閘，以給用戶足夠的時(shí)間停 車; 如果輪椅靜止，則控制器報(bào)警五秒后封管抱閘。當(dāng)輪椅在起/ 制動(dòng)時(shí)，負(fù)載電流較大，此時(shí) AD 采樣所得到的電壓值比正常時(shí)要小得多，顯然不是真實(shí)的電池電壓 值，這就需要對(duì)采樣值進(jìn)行濾波處理。本文采用程序判斷濾波法 44 ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判 斷確定兩次采樣允許的最大偏差 Y , 若先后兩次的采樣值的差值大

9、于 Y , 則表明輸 入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉，而將上次采樣值作為本次采樣值 ; 若小于 Y ，則本 次采樣值有效。在本文中取 Y 5 V 。5) 睡眠模式子程序 當(dāng)輪椅處在開機(jī)狀態(tài)且三分鐘內(nèi)沒有接收到用戶對(duì)速度鍵和操縱桿的任何操 作， 則輪椅進(jìn)入休眠模式。在進(jìn)入休眠模式的最后十秒內(nèi)，每隔一秒將鳴笛一次 以向用戶警示輪椅即將進(jìn)入休眠模式，在此期間如果用戶對(duì)速度鍵或操縱桿有任何動(dòng)作，輪椅將重新開始休眠時(shí)間倒計(jì)時(shí)，否則輪椅將進(jìn)入休眠模式。要想控制器從 休眠模式中退出，只有復(fù)位控制器或重新上電。6) 鎖存模式子程序在某些特殊場合為了防止對(duì)控制器的誤動(dòng)作或?yàn)榱朔乐狗怯脩舯救耸褂幂喴?，需要將輪椅置于鎖

10、存模式。要使得輪椅進(jìn)入鎖存模式，長按加速鍵聽到一聲長鳴 后，輪椅即進(jìn)入鎖存模式 ; 解鎖時(shí)，長按減速鍵約五秒聽到一聲長鳴后，輪椅即退 出鎖存模式。需要注意的是 : 只有當(dāng)操縱桿在中心位置時(shí)輪椅才可以被鎖定。進(jìn)入 鎖存模式后，輪椅封管、抱閘、關(guān)繼電器。7) 鳴笛子程序 鳴笛子程序主要是供其它程序在需要給用戶以蜂鳴器的方式警示時(shí)調(diào)用的子程 序?？刂气Q笛計(jì)時(shí)器可以控制蜂鳴器鳴笛時(shí)間的長短。8) 加速度曲線給定子程序?yàn)榱耸沟幂喴卧谄?/ 制動(dòng)時(shí)能夠平滑穩(wěn)定安全，本文設(shè)計(jì)了具有 S 曲線特性的 加速度給定子程序。9) 速度按鍵處理子程序 速度按鍵處理子程序是用來接收處理來自加減速鍵的信號(hào)，使得輪椅的最大

11、速 度能夠按照加減速鍵的狀態(tài)變化。輪椅的速度共分五個(gè)檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)著輪椅 的一個(gè)最大速度。10)速度按鍵鳴笛子程序 速度按鍵鳴笛子程序是用在當(dāng)用戶按下加減速鍵時(shí)蜂鳴器發(fā)出一聲短鳴以示按 鍵有效，值得注意的是當(dāng)速度檔是一擋或五檔時(shí)蜂鳴器不叫。11)PI 調(diào)節(jié)器子程序。12)延時(shí)子程序在本輪椅控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，所有的延時(shí)子程序，均采用 NOP 空指令的 循 環(huán)，而不是 RPT 指令，這是由于 RPT 指令不可以被中斷打斷 45 ，這會(huì)造成 系統(tǒng)的誤動(dòng)作和一些別的軟件故障。13）顯示模塊 顯示模塊主要用于顯示電池電壓值、速度檔值、輪椅的相關(guān)工作模式以及故障報(bào) 警顯示。4.3 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

12、總的流程圖 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總的流程圖如圖 4-2 所示EM HH Idai !唱春I円占壬工觀出 恥 Lr. 上二、LCU. U ：同丄二 業(yè)磴,m”制金 R 亠.用畑:* IT；4.4 系統(tǒng)軟件的中斷結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要使用了外部中斷 XINT1 和 T1 定時(shí)器周期中斷。其中外部中斷 XINT1 主要完成的任務(wù)是：對(duì)功率管的故障檢測(cè)與保護(hù)；T1 定時(shí)器周期中斷則主要完成對(duì)兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制、AD 采樣、過流保護(hù)、速度按鍵處理等。(1)XINT1 中斷程序流程圖，如圖 4-3 所示再庠J#a rB.t：-r !iL-n ;r亦于fll護(hù)諛邛碼可r呻呼菇二二21占軽換!-* i義FIHnwittmtt2 n.-：譏 乂卉IS味川坨要料於帕卅絶崎常nt J. I1說叫嗎;訂子段空?qǐng)F(tuán)4-3 XINT1中斷理胖流程閤(2)T1 定時(shí)器周期中斷程序流程圖，如圖 4-4 所示這里對(duì)程序流程圖做幾點(diǎn)說明。1)程序中需要對(duì)操縱桿的位置和輪椅的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)操縱桿在中心位置且輪椅靜止時(shí)(二者缺一不可)，可以對(duì)輪椅進(jìn)行封管、抱閘的操作。2)電流控制。在本系統(tǒng)中，電流分別以三種方式