DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

　　覆冰和積雪等原因時刻威脅著電力及通信網(wǎng)絡的安全運行[1-4]。覆冰機器人是針對去除輸電線路覆冰的自動化裝置。該機器人需要對行走電機、關節(jié)電機以及夾抓加緊電機等多種電機進行伺服控制。電機的種類和數(shù)量相對繁多，因此機器人控制系統(tǒng)相對比較復雜。本文主要研究了覆冰機器人的行走電機伺服控制。行走電機需要帶動機器人在線路上行走，當線路有較大覆冰時要帶動除冰刀完成破冰工作。機器人在作業(yè)中，當遇到冰層厚不能連續(xù)前進時，自動完成后退，加速前沖，進行斷續(xù)除冰。

　　行走電機伺服控制采用以電機控制專用芯片TMS320LF2407為核心的全數(shù)字化無刷直流電機控制系統(tǒng)。采用全數(shù)字化控制方式可以有效地避免模擬控制中不穩(wěn)定因素的干擾。由于該機器人工作在強電磁環(huán)境中，因此全數(shù)字化控制方式可以有效地避免電磁干擾。由于直流無刷電機具有結構簡單、運行可靠等交流電機的一系列優(yōu)點，又具備高速度、高效率、高動態(tài)響應等直流電機的優(yōu)點，因此該系統(tǒng)選擇直流無刷電機作為機器人軸驅動[5]。

　　1 控制系統(tǒng)總體結構設計

　　通過分析直流電機的運動方程可知，電機加速度與其轉矩成正比，而轉矩又與其電流成正比，因此，要實現(xiàn)電機的高精度高動態(tài)性能控制，就需要同時對電機的速度、電流以及位置進行檢測和控制。系統(tǒng)中包括位置檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)，分別檢測電機的轉速和電流。系統(tǒng)的硬件電路主要包括DSP系統(tǒng)、功率驅動電路、隔離電路、位置檢測電路和電流檢測電路。系統(tǒng)的結構原理如圖1所示。

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

　　2速度閉環(huán)控制

　　根據(jù)輸入的設定值和反饋量形成偏差，經(jīng)過一系列數(shù)字化調(diào)整形成PWM占空比的控制量，以此控制伺服電機的轉動速度或速度的變化。

　　速度閉環(huán)控制主要負責機器人行走速度和除冰時的速度變化控制。圖2為無刷直流電機速度電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對BLDCM 形成速度閉環(huán)控制時，通過光電編碼器檢測電機的轉動方向及轉角并反饋回DSP系統(tǒng)。

　　其中，

為一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)

為電機在額定勵磁下的反電動勢常數(shù)；K1、K2分別為電流和速度反饋的比例系數(shù)；K3=R為電機的相電阻；υg為電機給定轉速；υs為電機反饋速度；ig為速度調(diào)節(jié)器的輸出，即電流給定值；if為反饋電流；ie為電流誤差信號；Uc為PWM控制信號；Ud為電機直流端電壓；E為電機相反電動勢幅值；id為電機相電流；n為電機的真實轉速。

　　3系統(tǒng)硬件設計

　　3.1 相電流檢測

　　由于功率電子主回路采用兩兩通電方式。任意時刻電流僅流入三相繞組中的兩相，所以只需1個相電流檢測傳感器即可完成相電流的檢測。使用旁路電阻檢測各相電流。該電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂與地之間，同時起過電流保護作用。電阻上的壓降信號經(jīng)過放大以后，送到TMS320F2407片上的A/D轉換通道，經(jīng)過A/D轉換得到合適的電流信號。A/D轉換結束以后，A/D轉換模塊會向CPU發(fā)出中斷請求信號，等待CPU對電流信號的檢測。最后根據(jù)電流誤差，在每個PWM周期開始時，對PWM脈沖的占空比進行調(diào)節(jié)[6]。

　　3.2 轉子位置與轉速檢測

　　選用TMS320LF2407A實現(xiàn)三相無刷直流電機調(diào)速的控制和驅動電路。使用3個位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進行處理。檢測3個捕獲口的狀態(tài)可以得到當前3路位置信號的組合狀態(tài)，從而得到轉子位置。 捕獲口CAP1～CAP3 捕獲到的每一次跳變引發(fā)一次捕獲中斷，轉子每轉過一轉，產(chǎn)生6次捕獲中斷。通過測量相鄰2次中斷時間間隔得出電機轉速。

　　3.3 驅動電路設計

　　電機控制驅動器采用IR2130芯片。IR2130芯片控制6個功率管導通和關斷順序，實現(xiàn)控制電機的正反轉。此驅動芯片本身給功率器件提供過電壓保護。其內(nèi)部含有邏輯保護電路，當出現(xiàn)對級直通邏輯，芯片立即全部輸出低電平，關斷所有MOSFET管。另外，功率回路保護器件中有檢測電阻，電流過大時，檢測信號經(jīng)過邏輯判斷，將PDPINT置為低電平，DSP內(nèi)部計數(shù)器停止計數(shù)，所有PWM輸出低電平，關斷驅動電路，實現(xiàn)過電流保護[7]。

　　4系統(tǒng)軟件設計

　　主程序主要完成DSP初始化，流程圖如圖3所示。A/D轉換中斷子程序完成速度、電流的調(diào)節(jié)，流程圖如圖4所示。實驗用時鐘頻率為20 MHz，PWM頻率為20 kHz。通過定時器1周期匹配事件啟動A/D轉換，使每個PWM周期都進行1次電流采樣，并且要在A/D轉換中斷處理程序調(diào)節(jié)電流來控制PWM輸出。捕捉中斷程序完成對位置量的計數(shù)和計算速度參考量，程序流程圖如圖5所示。轉子每轉過60°角觸發(fā)一次捕捉中斷，進行換相操作和速度計算[8]。

　　本文應用TI公司的TMS320LF2407A DSP 設計了一種針對覆冰機器人行走和除冰時的直流無刷電機控制系統(tǒng)。經(jīng)分析，該系統(tǒng)不僅成本低、易于實現(xiàn)，且性能穩(wěn)定、方便擴展，對工程實踐和電機調(diào)速具有重要意義。
 [!--empirenews.page--]3 ADEECS路由協(xié)議

　　方案中，假設已知發(fā)送節(jié)點的發(fā)射功率，接收節(jié)點可以根據(jù)接收信號的強度，計算二者之間距離的近似值;發(fā)射功率可控，即節(jié)點可以根據(jù)自身需要調(diào)整發(fā)射功率。采用與文獻[5]相同的無線傳輸能量消耗模型。ADEECS協(xié)議按輪執(zhí)行，每一輪分為網(wǎng)絡部署，簇頭選舉，成簇，數(shù)據(jù)傳輸這4個階段。

　　具體實現(xiàn)過程如下：

　　階段1：網(wǎng)絡部署階段在網(wǎng)絡部署階段，讓基站以一定的功率向網(wǎng)絡內(nèi)廣播一個消息HELLO_MSG。傳感器節(jié)點根據(jù)接收信號的強度計算出自己到基站的近似距離，在與基站通信時，依據(jù)這個距離選擇適當?shù)陌l(fā)射功率。在成簇階段，還將利用這個信息來均衡簇頭的負載。

　　階段2：簇頭選舉階段全局范圍內(nèi)預先設定一個0～1之間的閾值T，用來控制參加簇頭競選的節(jié)點比例。每一個節(jié)點生成一個0～1之間的隨機數(shù)，記為u。若u

　　式中：T為最大約定的最大延遲時間;Eresidual為節(jié)點剩余能量;Eini是節(jié)點原始能量。

　　階段3：成簇階段簇頭向網(wǎng)絡所有節(jié)點廣播自己成為簇頭的消息HEAD_AD，內(nèi)容為簇頭節(jié)點的標識及該節(jié)點與基站的距離。普通節(jié)點接收到此消息后選擇一個通信代價cost(CH)最小的聚類加入，并發(fā)送消息JOIN_REQ。通信代價表達式為：

　　式(5)中參數(shù)與式(2)和式(4)表示的意義相同。從式(5)可以看出，該通信代價綜合考慮了節(jié)點與簇頭的距離、簇頭與基站的距離及簇頭的剩余能量。從而實現(xiàn)了由聚類成員節(jié)點選擇剩余能量較大，與自己距離較近，與基站距離較小的簇頭形成簇，達到能量均衡的目的。

　　階段4：數(shù)據(jù)傳輸階段簇頭向所有成員節(jié)點廣播TDMA通信時隙調(diào)度信息TDMA_SCHEDULE。成員節(jié)點按分配好的TDMA時隙在某個時刻將自己檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭。簇頭在接收聚類成員發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中進行數(shù)據(jù)融合，并將融合后的數(shù)據(jù)直接傳輸給基站，該過程采用單跳的通信方式。

　　4 ADEECS協(xié)議仿真與分析

　　仿真中，使用Matlab作為仿真平臺，采用與文獻[3]相同的能量消耗模型。仿真參數(shù)如表1所示。

　　文中將ADEECS與EECS和LEACH協(xié)議性能進行仿真對比。

　　4.1簇頭分布的仿真對比

　　LEACH簇頭個數(shù)取最優(yōu)值。在仿真中，LEACH簇頭個數(shù)為6;取T=0.15，R=26，w=0.8。由3種協(xié)議的簇頭分布圖(圖2～圖4)可以看出，LEACH協(xié)議簇頭隨機分布;EECS協(xié)議簇頭分布比較均勻，但存在簇頭漏洞問題;ADEECS協(xié)議簇頭真正實現(xiàn)了均勻分布。所以，提出的延遲發(fā)送競選消息的方法很好地解決了LEACH和EECS協(xié)議在簇頭選舉過程中存在的問題。