基于DSP和電壓反饋的機(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

摘    要：本文對(duì)一種適合于機(jī)器人控制的多軸控制器的總體結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了介紹，并給出了控制器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和工作流程。該控制器選用DSP為主處理器，采用電壓反饋的形式，可應(yīng)用于其它類似的控制機(jī)構(gòu)中。
關(guān)鍵詞：DSP；機(jī)器人；控制器；CAN總線

引言
對(duì)于機(jī)器人控制技術(shù)，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性是研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段，機(jī)器人控制的主要方法是在離線狀態(tài)下對(duì)步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，并在主控機(jī)上對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，這種處理方法對(duì)處理器的運(yùn)算速度和處理能力提出了很高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器大多以80C196系列單片機(jī)作為處理器，當(dāng)采用12MHz晶振時(shí)，其狀態(tài)周期為167ns，機(jī)器周期為1ms，不能滿足機(jī)器人控制的需要。
DSP芯片處理速度可以達(dá)到幾納秒，甚至更高，非常適合于機(jī)器人控制。因此，本文選用DSP來代替原有的單片機(jī)，同時(shí)借助底層電壓反饋技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種分布式機(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
本機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”模式，其中，主控計(jì)算機(jī)要求體積小、運(yùn)算速度快，通常采用嵌入式工控機(jī)。主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng)作級(jí)運(yùn)動(dòng)控制、語音交互控制、視覺導(dǎo)引控制以及人機(jī)交互等功能。底層控制單元以控制器為核心，采用電壓反饋的方式對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸系進(jìn)行控制，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂破骱椭骺赜?jì)算機(jī)通過CAN總線相連。這種通信方式降低了連線的復(fù)雜程度，提高了通信的速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，由于只用兩根線進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)也十分靈活。
控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過接收主控計(jì)算機(jī)的控制命令對(duì)各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系進(jìn)行控制，同時(shí)把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)大回路反饋，以便于主控計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃，統(tǒng)一管理?？刂破鞯目刂菩阅苤苯雨P(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，本文專門設(shè)計(jì)了基于DSP和電壓反饋的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

控制器設(shè)計(jì)
機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)由各個(gè)關(guān)節(jié)軸系完成，每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度，可以完成某一方向的轉(zhuǎn)動(dòng)任務(wù)，所有軸系同時(shí)協(xié)調(diào)工作就可以完成相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。本文研究的所有軸系均由PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制。
本多軸運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)控制器以DSP為核心，分為四大部分： DSP主處理器模塊主要完成信息處理和各種控制功能；A/D轉(zhuǎn)換模塊為主處理器提供運(yùn)動(dòng)軸系的位置信息；外圍電路完成電壓監(jiān)控、參數(shù)存儲(chǔ)、電路譯碼、光電隔離等功能；通信模塊負(fù)責(zé)與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互。
DSP主處理器模塊
DSP主處理器是整個(gè)控制器的核心，負(fù)責(zé)各種信息的處理，同時(shí)與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，其運(yùn)算速度、對(duì)信息的處理能力等方面直接影響控制器的性能。本文選用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，該產(chǎn)品集實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)于一身，非常適用于工業(yè)控制。
在本文設(shè)計(jì)的控制器中，TMS320LF2407A 工作電壓為3.3V、系統(tǒng)時(shí)鐘為40MHz，數(shù)據(jù)總線與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，接收A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；地址總線和控制總線與外圍電路中的譯碼部分相連，完成各種譯碼和控制功能；PWM輸出端口為運(yùn)動(dòng)軸系提供控制信號(hào)；通信接口與通信模塊相連，負(fù)責(zé)與主控計(jì)算機(jī)交互信息；中斷接口與譯碼電路相連，接受A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)的外部中斷；復(fù)位接口連接外部看門狗電路，當(dāng)外部電壓超出規(guī)定的范圍時(shí)復(fù)位主處理器；串行接口連接外部存儲(chǔ)器，從外部存儲(chǔ)器中讀取控制算法所需的參數(shù)。
A/D轉(zhuǎn)換模塊
外部電壓傳感器把運(yùn)動(dòng)軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換模塊通過對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為主處理器提供能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。ADG508A為8選1多路選擇器，對(duì)輸入的多路電壓進(jìn)行選擇，選出一路電壓送轉(zhuǎn)換器。AD622為電壓放大器，同時(shí)具有濾波功能，可以把輸入的-5V~+5V電壓放大到-12V~+12V，以提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。AD976為16位A/D轉(zhuǎn)換器，把放大后的電壓轉(zhuǎn)換成+5V數(shù)字信號(hào)。74LVTH245為8位電平轉(zhuǎn)換器，把+5V數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成主處理器能夠接受的+3.3V數(shù)字信號(hào)送TMS320LF2407A，使用時(shí)需兩塊并聯(lián)組成一個(gè)16位的電平轉(zhuǎn)換器。
外圍電路模塊
外圍電路模塊主要負(fù)責(zé)控制器的電壓監(jiān)控、參數(shù)存儲(chǔ)、電路譯碼、光電隔離等功能。其中，電壓監(jiān)控任務(wù)由外部看門狗電路完成，本文選用的是DS1834A芯片。此芯片可同時(shí)對(duì)電路板上+5V和+3.3V電壓進(jìn)行監(jiān)控，電壓安全范圍可進(jìn)行調(diào)節(jié)，還具有手動(dòng)復(fù)位功能。如果電壓超出安全范圍，則在相應(yīng)引腳產(chǎn)生低電平復(fù)位信號(hào)，直到電壓恢復(fù)正常后再經(jīng)過350ms，復(fù)位引腳才恢復(fù)高電平。若手動(dòng)復(fù)位則兩個(gè)復(fù)位引腳同時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。
DSP主處理器執(zhí)行控制算法所需要的參數(shù)存放在外部存儲(chǔ)器X25650中，DSP通過串行外設(shè)接口(SPI口)模塊與X25650相連，從中讀取需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。
電路譯碼功能由一塊CPLD實(shí)現(xiàn)，主要功能包括為ADG508A提供端口選擇信號(hào)、為AD976提供轉(zhuǎn)換開始信號(hào)、為74LVTH245提供輸出使能信號(hào)、接收AD976轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)并為DSP提供A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷信號(hào)、接收DS1834A的復(fù)位信號(hào)并為DSP提供復(fù)位脈沖信號(hào)等。
光電隔離器件選用高速光耦6N137，主要是為控制器與外部環(huán)境提供隔離，包括PWM脈沖控制信號(hào)的隔離和CAN總線通信的隔離。
通信模塊
通信模塊主要是與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收主控計(jì)算機(jī)的命令并為主控計(jì)算機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。由于TMS320LF2407A內(nèi)部帶有CAN總線通信模塊，所以只需外接一塊CAN收發(fā)器就可以與外界進(jìn)行通信。收發(fā)器選用的是SN65HVD230芯片，此芯片與傳統(tǒng)CAN收發(fā)器PCA82C250兼容，且支持3.3V電壓，可直接與TMS320 LF2407A連接。為提高通信質(zhì)量，中間需用光耦進(jìn)行隔離。

控制流程與分析
此控制器可同時(shí)為8路軸系提供控制功能，其工作流程如圖4所示，圖中虛線所包圍部分的功能由控制器完成。
具體工作過程為：系統(tǒng)開始運(yùn)行并完成初始化工作；電壓傳感器把執(zhí)行軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；DSP主處理器向ADG508A發(fā)送選擇信號(hào)，選通一路電壓信號(hào)經(jīng)放大器AD622放大后送AD976進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。選擇哪一路電壓由主處理器地址線經(jīng)譯碼后對(duì)ADG508A的端口選擇位進(jìn)行控制，通常是八路輪流選擇。AD976的轉(zhuǎn)換起始也由主處理器控制，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)發(fā)出結(jié)束信號(hào)，經(jīng)譯碼后提供給主處理器產(chǎn)生外部中斷，主處理器在中斷子程序中通過啟動(dòng)電平轉(zhuǎn)換電路讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AD976的最高轉(zhuǎn)換速率為100KSPS，此速率下，8路同時(shí)轉(zhuǎn)換，每一路的轉(zhuǎn)換速率為12.5KSPS，完全可以滿足控制的需要。

結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的控制器，采用先選路、再放大、最后轉(zhuǎn)換的方式為DSP主處理器提供需要的位置信息。整個(gè)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，工作穩(wěn)定可靠，非常適用于機(jī)器人控制，經(jīng)實(shí)踐證明，此方法是行之有效的。此控制器最多可同時(shí)控制8路軸系，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，單路轉(zhuǎn)換速率最高達(dá)100KSPS。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還可以方便地移植到其它類似的控制機(jī)構(gòu)中去，以對(duì)各種PWM脈沖驅(qū)動(dòng)的軸系進(jìn)行控制，是一種多功能通用型控制器?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 方海軍等．基于CAN總線的自主式仿人型機(jī)器人控制系統(tǒng)．機(jī)器人，2002，24(１)
2 曹禺．仿人步行機(jī)器人機(jī)載運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用．長沙：國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院檔案室(內(nèi)部資料),2002
3 石宗英等．基于現(xiàn)場(chǎng)總線的仿人型機(jī)器人控制系統(tǒng)．工程與應(yīng)用，2002，(2)
4 饒運(yùn)濤等．現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003
5 江思敏等．TMS320LF240x DSP硬件開發(fā)教程．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003
6 黃正瑾等．CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2002