基于DSP和電壓反饋的機器人多軸運動控制器設計

摘    要：本文對一種適合于機器人控制的多軸控制器的總體結構和相關知識進行了介紹，并給出了控制器的詳細設計方案和工作流程。該控制器選用DSP為主處理器，采用電壓反饋的形式，可應用于其它類似的控制機構中。
關鍵詞：DSP；機器人；控制器；CAN總線

引言
對于機器人控制技術，實時性和穩(wěn)定性是研究的重點?，F(xiàn)階段，機器人控制的主要方法是在離線狀態(tài)下對步態(tài)進行規(guī)劃，并在主控機上對機器人的運動進行實時的補償，這種處理方法對處理器的運算速度和處理能力提出了很高的要求。傳統(tǒng)的機器人控制器大多以80C196系列單片機作為處理器，當采用12MHz晶振時，其狀態(tài)周期為167ns，機器周期為1ms，不能滿足機器人控制的需要。
DSP芯片處理速度可以達到幾納秒，甚至更高，非常適合于機器人控制。因此，本文選用DSP來代替原有的單片機，同時借助底層電壓反饋技術，設計出一種分布式機器人多軸運動控制器。

控制系統(tǒng)結構與功能
本機器人控制系統(tǒng)結構是一個典型的“PC+運動控制器”模式，其中，主控計算機要求體積小、運算速度快，通常采用嵌入式工控機。主要負責整個系統(tǒng)的在線運動規(guī)劃、動作級運動控制、語音交互控制、視覺導引控制以及人機交互等功能。底層控制單元以控制器為核心，采用電壓反饋的方式對各運動軸系進行控制，具體結構如圖1所示?？刂破骱椭骺赜嬎銠C通過CAN總線相連。這種通信方式降低了連線的復雜程度，提高了通信的速度，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，由于只用兩根線進行通信，結構也十分靈活。
控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，通過接收主控計算機的控制命令對各關節(jié)執(zhí)行軸系進行控制，同時把底層信息反饋給主控計算機，實現(xiàn)大回路反饋，以便于主控計算機協(xié)調規(guī)劃，統(tǒng)一管理。控制器的控制性能直接關系到機器人的運動能力，本文專門設計了基于DSP和電壓反饋的多軸運動控制器。

控制器設計
機器人的各種運動由各個關節(jié)軸系完成，每個軸系具有一個自由度，可以完成某一方向的轉動任務，所有軸系同時協(xié)調工作就可以完成相對復雜的運動。本文研究的所有軸系均由PWM脈沖信號驅動控制。
本多軸運動控制器結構如圖2所示。整個控制器以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轉換模塊為主處理器提供運動軸系的位置信息；外圍電路完成電壓監(jiān)控、參數存儲、電路譯碼、光電隔離等功能；通信模塊負責與主控計算機進行信息交互。
DSP主處理器模塊
DSP主處理器是整個控制器的核心，負責各種信息的處理，同時與主控計算機進行通信，其運算速度、對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，該產品集實時處理能力和控制器外設于一身，非常適用于工業(yè)控制。
在本文設計的控制器中，TMS320LF2407A 工作電壓為3.3V、系統(tǒng)時鐘為40MHz，數據總線與A/D轉換模塊相連，接收A/D轉換結果；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輸出端口為運動軸系提供控制信號；通信接口與通信模塊相連，負責與主控計算機交互信息；中斷接口與譯碼電路相連，接受A/D轉換結束信號觸發(fā)的外部中斷；復位接口連接外部看門狗電路，當外部電壓超出規(guī)定的范圍時復位主處理器；串行接口連接外部存儲器，從外部存儲器中讀取控制算法所需的參數。
A/D轉換模塊
外部電壓傳感器把運動軸系的位置信息轉換成電壓信號，A/D轉換模塊通過對此電壓信號進行A/D轉換，為主處理器提供能夠識別的數字信號。本文設計的A/D轉換電路如圖3所示。ADG508A為8選1多路選擇器，對輸入的多路電壓進行選擇，選出一路電壓送轉換器。AD622為電壓放大器，同時具有濾波功能，可以把輸入的-5V~+5V電壓放大到-12V~+12V，以提高A/D轉換的精度。AD976為16位A/D轉換器，把放大后的電壓轉換成+5V數字信號。74LVTH245為8位電平轉換器，把+5V數字信號轉換成主處理器能夠接受的+3.3V數字信號送TMS320LF2407A，使用時需兩塊并聯(lián)組成一個16位的電平轉換器。
外圍電路模塊
外圍電路模塊主要負責控制器的電壓監(jiān)控、參數存儲、電路譯碼、光電隔離等功能。其中，電壓監(jiān)控任務由外部看門狗電路完成，本文選用的是DS1834A芯片。此芯片可同時對電路板上+5V和+3.3V電壓進行監(jiān)控，電壓安全范圍可進行調節(jié)，還具有手動復位功能。如果電壓超出安全范圍，則在相應引腳產生低電平復位信號，直到電壓恢復正常后再經過350ms，復位引腳才恢復高電平。若手動復位則兩個復位引腳同時產生復位信號。
DSP主處理器執(zhí)行控制算法所需要的參數存放在外部存儲器X25650中，DSP通過串行外設接口(SPI口)模塊與X25650相連，從中讀取需要的參數數據。
電路譯碼功能由一塊CPLD實現(xiàn)，主要功能包括為ADG508A提供端口選擇信號、為AD976提供轉換開始信號、為74LVTH245提供輸出使能信號、接收AD976轉換結束信號并為DSP提供A/D轉換結束中斷信號、接收DS1834A的復位信號并為DSP提供復位脈沖信號等。
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算機進行通信，接收主控計算機的命令并為主控計算機提供必要的數據。由于TMS320LF2407A內部帶有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。為提高通信質量，中間需用光耦進行隔離。

控制流程與分析
此控制器可同時為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換成電壓信號；DSP主處理器向ADG508A發(fā)送選擇信號，選通一路電壓信號經放大器AD622放大后送AD976進行A/D轉換。選擇哪一路電壓由主處理器地址線經譯碼后對ADG508A的端口選擇位進行控制，通常是八路輪流選擇。AD976的轉換起始也由主處理器控制，轉換結束時發(fā)出結束信號，經譯碼后提供給主處理器產生外部中斷，主處理器在中斷子程序中通過啟動電平轉換電路讀取轉換后的數據。AD976的最高轉換速率為100KSPS，此速率下，8路同時轉換，每一路的轉換速率為12.5KSPS，完全可以滿足控制的需要。

結語
本文設計的控制器，采用先選路、再放大、最后轉換的方式為DSP主處理器提供需要的位置信息。整個控制器結構簡單靈活，工作穩(wěn)定可靠，非常適用于機器人控制，經實踐證明，此方法是行之有效的。此控制器最多可同時控制8路軸系，可根據實際情況進行選擇，單路轉換速率最高達100KSPS。同時，本設計還可以方便地移植到其它類似的控制機構中去，以對各種PWM脈沖驅動的軸系進行控制，是一種多功能通用型控制器?！?/p>

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