基于STM32F的搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著人工成本的不斷升高，用機(jī)器人代替人力去做一些重復(fù)性的高強(qiáng)度的勞動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向。搬運(yùn)機(jī)器人在導(dǎo)航尋跡中，需要后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和前輪舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作。搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)有其特殊的應(yīng)用要求，對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，能在任意時(shí)刻到達(dá)控制需要的指定位置并且使舵機(jī)停止在任意角度；電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩變化范圍大，既有空載平整路面行使的高速度、低轉(zhuǎn)矩工作環(huán)境，也有滿負(fù)載爬坡的運(yùn)行工況，同時(shí)還要求保持較高的運(yùn)行效率。根據(jù)以上的技術(shù)要求，本文選用了控制技術(shù)成熟，易于平滑調(diào)速的直流電機(jī)作為搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行饑構(gòu)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1．1 機(jī)器人電機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)

主控制器采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F107。控制器內(nèi)部共有8個(gè)定時(shí)器，其中TIM1_CH1和TIM8_CH1為高級(jí)控制定時(shí)器引腳，TIM1_CH1用于電機(jī)編碼器計(jì)數(shù)。TLM8_CH1用于舵機(jī)控制基準(zhǔn)時(shí)間。通用定時(shí)器引腳TIM2 CH1、TIM3 CH1、TIM4_CH1、TIM5_CH1分別用于電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上下橋壁PWM的產(chǎn)生。

觸發(fā)EXIT0中斷的PA0口和PB0口分別用于電機(jī)和舵機(jī)的過流中斷保護(hù)。觸發(fā)EXIT1中斷的PA1口和PB1口用于舵機(jī)兩側(cè)限位保護(hù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用自舉升壓芯片IR2103和MOSFET管75N75，后輪電機(jī)和舵機(jī)的相電流采集是通過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓，通過放大濾波處理，分別送至STM3 2F107的A／D采樣引腳ADC12_IN1實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。通過上位機(jī)串口通信或STM32F107內(nèi)部程序速度給定，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度及舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


1．2 模塊的選擇與設(shè)計(jì)

1．2．1 功率驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

電機(jī)的供電電源是由24 V的蓄電池提供，額定功率為240W，由4個(gè)75N75組成橋式電路來實(shí)現(xiàn)。75N75是MOSFET功率管，其最高耐壓75V，最高耐流75 A，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

Q1、Q4和Q2、Q3分別組成兩個(gè)橋路，分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓和漏極電壓相同且都等于供電電樂VCC，所以要實(shí)現(xiàn)MOS管正常的驅(qū)動(dòng)，柵極電壓要比VCC大，這就需要專門的升壓芯片IR2103。控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)輸入HIN引腳，控制器I／O口輸出的EN1、EN2作為使能信號(hào)。輸出端HO就可得到比VCC要高的電壓，且高出的電壓值正好是充在電容兩端的電壓。二極管提高導(dǎo)通速度，使得75N75的導(dǎo)通電阻更小，降低了開關(guān)管的損失。同時(shí)IR2103的兩個(gè)輸出口HO、LO具有互鎖功能，防止由于軟件或硬件錯(cuò)誤造成的電機(jī)上下橋臂直通造成短路。

1．2．2 過流保護(hù)的設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)中安裝過流保護(hù)有兩方面的意義：一是防止在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)出現(xiàn)超載或堵轉(zhuǎn)而使得電樞繞組電流過大損害電機(jī)甚至引發(fā)火災(zāi)；另一方面是由于電機(jī)肩動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，往往不能直接啟動(dòng)，既需要等勵(lì)磁繞組逐漸建立磁場(chǎng)后再正常運(yùn)行，又希望電機(jī)以盡量快的速度肩動(dòng)起來。有了過流保護(hù)對(duì)電流進(jìn)行斬波，可以使電機(jī)安全快速地啟動(dòng)。過流保護(hù)原理圖如圖3所示。

電機(jī)的相電流通過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Vtext，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后的模擬量AD1送至控制器A／D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)將經(jīng)過電壓比較器比較后的數(shù)字量EVA送至控制器的外部中斷口。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2．1 μC／OS-II的體系結(jié)構(gòu)

μC／OS-II是一種可移植的、可植入ROM的、可裁剪的、搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC／OS-II是用C語言和匯編語言編寫的，其中絕大部分代碼郜是用C語言編寫的，只有極少部分與處理器密切相關(guān)的代碼是用匯編語言編寫。μC／OS-II僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信和同步等基本功能。

2．2 μC／OS-II系統(tǒng)下任務(wù)的分配

成功地將μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)移植到STM32F107后，基于μC／OS-II的程序設(shè)計(jì)是將一個(gè)大的應(yīng)用程序分成相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)任務(wù)來完成。定義好每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，μC／OS-II內(nèi)核對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。

軟件設(shè)計(jì)思路是根據(jù)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行的需要由上位機(jī)通過串口對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置進(jìn)行給定。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由設(shè)定的速度值和由增量式編碼器的采集值相比較，經(jīng)過速度PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。舵機(jī)的位置主要是由絕對(duì)值式編碼器反饋現(xiàn)在位置，根據(jù)動(dòng)作時(shí)間要求調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。本搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

◆上位機(jī)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和動(dòng)作時(shí)間；
◆要求電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)并且具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速?zèng)]計(jì)采用PI算法調(diào)節(jié)；
◆要求舵機(jī)快速到達(dá)指定角度，有位置反饋?zhàn)鳛槎鏅C(jī)給定轉(zhuǎn)速的調(diào)整；
◆具有一定的故障保護(hù)功能。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、電流過大以及舵機(jī)觸動(dòng)限位開關(guān)時(shí)，要求停止驅(qū)動(dòng)模塊工作。
針對(duì)以上要實(shí)現(xiàn)的功能，可以將應(yīng)用程序設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)任務(wù)：
①啟動(dòng)任務(wù)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，創(chuàng)建初始電機(jī)狀態(tài)，然后自我刪除，啟動(dòng)任務(wù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
②電機(jī)和舵機(jī)保護(hù)任務(wù)。用于在過流或限位開關(guān)動(dòng)作時(shí)響應(yīng)外部中斷，進(jìn)入中斷狀態(tài)通過發(fā)任務(wù)信號(hào)量，任務(wù)程序檢測(cè)信號(hào)量有效并響應(yīng)該任務(wù)，停止輸出。任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為0級(jí)。
③上位機(jī)給定任務(wù)。用于上位機(jī)控制電機(jī)和舵機(jī)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為1級(jí)。上位機(jī)數(shù)據(jù)輸入寄存器時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)中斷，該中斷將收到的字節(jié)送入緩沖區(qū)并釋放上位機(jī)給定任務(wù)的信號(hào)量；任務(wù)中檢測(cè)到信號(hào)量有效便開始執(zhí)行，將對(duì)應(yīng)的字節(jié)信息解析成對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)轉(zhuǎn)角位置信息給相應(yīng)變量賦值。
④電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)。用于電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為2級(jí)。
⑤舵機(jī)控制任務(wù)。用于控制舵機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)指定位置，任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為3級(jí)。

2．3 啟動(dòng)任務(wù)

主程序中，在調(diào)用μC／OS-II的其他任務(wù)之前，首先調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)OSInit()，初始化μC／OS-II所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，建立空閑任務(wù)OS_TaskIdle()，這個(gè)任務(wù)總是處于就緒態(tài)；調(diào)用OSTaskCreate()函數(shù)建立啟動(dòng)任務(wù)；調(diào)用OSStart()，將控制權(quán)交給μC／OS-II內(nèi)核，開始運(yùn)行多任務(wù)。
啟動(dòng)任務(wù)是在主程序中創(chuàng)建的，它主要有3個(gè)功能：
①用于系統(tǒng)初始化(PWM輸出模塊、串口、ADC模塊、輸入電平中斷功能、定時(shí)器)。
②建立系統(tǒng)所要用到的信號(hào)量。
③建立系統(tǒng)的其他任務(wù)。
最后調(diào)用OSTaskDel(OS_PRIO_SELF)進(jìn)行自我刪除，啟動(dòng)任務(wù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。主程序任務(wù)流程如圖4所示。


2．4 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)

增量式編碼器每次產(chǎn)生外部中斷，在中斷狀態(tài)中發(fā)出任務(wù)信號(hào)量，任務(wù)程序檢測(cè)信號(hào)量有效并響應(yīng)該任務(wù)，任務(wù)中通過測(cè)得電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和給定速度對(duì)比實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)流程如圖5所示。


2．5 舵機(jī)控制任務(wù)

舵機(jī)控制由一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間，每隔固定時(shí)間發(fā)送信號(hào)量，任務(wù)都將執(zhí)行一次。舵機(jī)控制任務(wù)將對(duì)絕對(duì)值編碼器測(cè)出的位置和給定的位置進(jìn)行比較，根據(jù)剩余時(shí)間調(diào)整舵機(jī)的轉(zhuǎn)速。舵機(jī)控制任務(wù)流程如圖6所示。


3 系統(tǒng)機(jī)電接口

機(jī)器人的舵機(jī)由直流電機(jī)外連一個(gè)30：1的減速機(jī)組成。絕對(duì)式位置編碼器同舵機(jī)相連，將舵機(jī)的角度信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)器控制板中。機(jī)器人前輪的兩個(gè)軸由傳動(dòng)桿相連，其中一個(gè)軸由傳動(dòng)帶與舵機(jī)相連，這樣在舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)帶帶動(dòng)傳動(dòng)桿，保證兩個(gè)前輪能夠同步轉(zhuǎn)動(dòng)。后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)，直接與增量式編碼器相連，經(jīng)減速比為25：1減速機(jī)減速后，經(jīng)機(jī)械差速器驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。增量式編碼器的信號(hào)同樣送到驅(qū)動(dòng)器控制板中。機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。


結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)器人的電機(jī)和舵機(jī)控制器硬件的設(shè)計(jì)，成功地在STM32F107上嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II，完成了電機(jī)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。利用Cortex-M3內(nèi)核控制器和μC／OS-II系統(tǒng)多任務(wù)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，為后續(xù)的機(jī)器人圖像視頻采集和導(dǎo)航尋跡提供了軟硬件基礎(chǔ)。如果對(duì)現(xiàn)有PI算法進(jìn)行改進(jìn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)速度和電流雙閉環(huán)控制，則機(jī)器人電機(jī)的特性將會(huì)更好，搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用前景將更加廣闊。