基于DSP的雙足機器人運動控制系統(tǒng)電路設計

近年來，仿人機器人一直是自動控制領域研究的熱點。在模仿人類進行邁步行走時，由于仿人機器人的重心經常要處于中心線以外的區(qū)域，使得它的身體很難保持站姿平衡，能夠穩(wěn)定地實現雙足行走是仿人機器人研究的重點也是難點。人類需要大腦和肢體的相互配合來協(xié)調動作，機器人需要的則是運動控制器和驅動裝置的強大支持，尤其是運動控制器，需要有高效率的芯片為基礎，才能最迅速地采集數據、完成計算和發(fā)送指令。在本次設計中機器人關節(jié)使用的是大功率三相無刷直流電機，控制器采用TMS320F2812芯片，它是TI公司推出的一款針對控制領域做優(yōu)化配置的數字信號處理器，器件上集成了多種先進的外設，為電機高速度和高精度控制提供了良好的平臺。

1 系統(tǒng)概述

雙足機器人每條腿設有5個自由度，這樣既可以實現基本的步行功能，又盡可能的簡化了控制變量，系統(tǒng)整體結構如圖1所示，L1～L5分別對應左腿髖側向、髖前向、膝前向、踝前向、踝側向關節(jié)電機，R1～R5對應右腿?？紤]到成本因素和驅動性能，選用Maxon的EC-max系列三相無刷直流電機來驅動關節(jié)活動，其中1號和5號電機選用EC-max35型，其他均為EC-max30型。受安裝空間所限，每條腿的運動控制器都為獨立的個體，各運動控制器通過主控計算機進行協(xié)調控制并可基于運動指令單獨完成動作，類似于人類反射弧的原理，減輕主控計算機的工作量，加快反應速度，主控計算機和運動控制器之間通過CAN總線來傳遞數據。

機器人雙足步行時，主控計算機根據運動周期向底層運動控制器發(fā)送運行和停止等指令，完成對行走狀態(tài)的監(jiān)控和數據運算。單個運動控制器由DSP處理和電機控制兩部分組成：DSP處理電路負責與主控計算機和傳感器之間交換各類信息、分析接收到的數據并運算輸出相應關節(jié)電機的控制信號；電機控制電路根據控制信號驅動相應的電機動作，達到要求的速度和角度，并對光電編碼器信號進行處理，將執(zhí)行結果反饋給DSP形成閉環(huán)控制，保證執(zhí)行的精度。

數據處理器選用的是TMS320F2812，它擁有基于C／C++高效32位DSP內核，提高了運算的精度；時鐘頻率高達150 MHz，增強了系統(tǒng)的處理能力；集成了128 KB的FLASH存儲器、4 KB的引導ROM、數學運算表以及2 KB的OTP ROM，改善了芯片應用的靈活性；兩個事件管理器模塊為電機及功率變換控制提供了良好的控制功能；16通道高性能12位ADC單元提供了兩個采樣保持電路，可以實現雙通道信號同步采樣，適合整個運動控制器的開發(fā)需求，其代碼和指令與F24x系列完全兼容，更是保證了項目開發(fā)和產品設計的可延續(xù)性。

2 電機調速原理

系統(tǒng)用PWM波形給出無刷直流電機的轉速信息，即利用電路一周期內的占空比變化，達到平均電壓值的改變，以對應電機不同的速度值。

在TMS320F2812中可以通過配置定時周期寄存器的周期值和比較單元的比較值來產生PWM，周期值用于產生PWM波的頻率，比較值用于產生PWM波的脈寬，改變比較值可以改變PWM波的占空比，改變周期值可以改變PWM波的頻率。以事件管理器A為例，單路PWM信號的產生過程如下：

定時器1作為產生PWM信號的時基，通過控制寄存器T1CON和周期寄存器TlPR設置時鐘周期，通過寄存器COMCONA設置比較單元的各個參數，產生出三角波信號，在寄存器CMPRl和ACTRA中分別設置比較值和比較輸出方式，設定的比較值實時與三角波信號比較，得到相應占空比的PWM信號。將定時器計數器T1CNT設置為連續(xù)增計數方式時，產生非對稱PWM波形，設定為連續(xù)增減計數方式時，可以得到對稱的PWM波形。

圖2所示是對稱PWM波形產生的原理：若PWM輸出為高電平有效，則當三角波的當前值小于比較值時輸出為低電平，當三角波的當前值大于比較值時輸出為高電平；低電平有效時，則反之。

如果在寄存器DBTCONx中設置了死區(qū)時間值，則相應事件管理器所有PWM輸出通道使用同一個死區(qū)值。由于加入了死區(qū)，PWM波高電平脈沖的寬度減少了一個死區(qū)時間，但是周期沒有變化，所以高有效和低有效的PWM波形的占空比可分別用式(1)和(2)來計算。

通過調節(jié)占空比，可以調節(jié)輸出電壓，用這種無級連續(xù)調節(jié)的輸出電壓可以給出速度信息，因此可以通過調整PWM信號有效電平的寬度達到控制轉速的目的。