基于CAN總線(xiàn)的分布式機器人控制系統設計

圖3控制器硬件電路原理簡(jiǎn)圖

2.1 主處理器芯片

　　本設計核心控制芯片采用Motorola DSP56F807，該芯片混合了DSP 的高速運算能力與MCU 的控制特性于一體，提供了許多專(zhuān)用于電動(dòng)機控制的外設，包括兩個(gè)脈寬調制模塊（PWMA、PWMB）、2個(gè)相位檢測器模塊（quadrature decoder）、12位精度的模數轉換模塊（ADC）、4個(gè)定時(shí)器模塊、通訊外設模塊（SCI、SPI、CAN）等，因此非常適合于對實(shí)現機器人各關(guān)節運動(dòng)的直流無(wú)刷電機進(jìn)行數字控制[4]。

2.2 CAN接口電路

　　DSP56F807芯片內集成了CAN控制器，要完成數據幀的收發(fā)還需外加CAN驅動(dòng)器芯片，本設計采用Philips公司的PCA82C250為CAN驅動(dòng)器。為了增強抗外部干擾，在DSP56F807的MSCAN_TX和MSCAN_RX引腳與CAN驅動(dòng)器之間加兩個(gè)高速光電耦合器6N137。

2.3 電機驅動(dòng)電路

　　電機驅動(dòng)采用Motorola公司的MPM3003，它內部由上橋臂的3個(gè)P-溝道功率型MOSFET 和下橋臂的3個(gè)N-溝道功率型MOSFET組成三相橋式電路，是理想的伺服電機驅動(dòng)集成電路芯片[5]。因PWM輸出電壓不能直接推動(dòng)MPM3003，在PWM輸出口和MPM3003之間加一個(gè)TTL到CMOS轉換芯片MC14504B。

2.4 電源電路

　　控制器上同時(shí)需要5.0V 和3.3V 兩種電源。外部采用的是直流24V電源，通過(guò)MAX724將24V 穩壓到5.0V，再通過(guò)MAX604將5.0V穩壓到3.3V。為了減少電磁干擾，使用磁珠隔離3.3V 的數字電源和模擬電源。

　　因篇幅有限，其它的電路模塊不再一一介紹。

3 控制器軟件設計

　　控制器軟件設計是在Codewarrior6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，采用模塊化設計，可分為初始化模塊、主循環(huán)模塊和中斷子程序模塊，整個(gè)控制功能由各中斷子程序實(shí)現，如圖4所示。初始化模塊的作用是初始化DSP 及控制參數，主循環(huán)模塊是一個(gè)死循環(huán)，主要是查詢(xún)是否有中斷產(chǎn)生，如果有中斷則轉而去執行相應的中斷服務(wù)子程序。數字PID控制子程序是實(shí)現控制功能的主體，完成對關(guān)節的位置、速度PID控制，通過(guò)定時(shí)器中斷實(shí)現。

圖4控制器軟件結構簡(jiǎn)圖

　　對于數字PID控制子程序中的PID算法，采用了一種改進(jìn)的變速積分PID算法，有效地克服了常規PID算法中出現積分飽和時(shí)，造成超調量增加，使調節品質(zhì)變壞的缺點(diǎn)。變速積分法的基本思想是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應，偏差大時(shí)，減弱積分作用，反之則加強。

　　常規PID算法數字離散化為：

式中，KP,KI,KD分別為調節器的比例、積分和微分系數;E（k）,E（k-1）分別為第k次和k-1次的期望偏差值;U（k）為第k次的調節器輸出。

　　改進(jìn)后的變速積分PID算法為：

　f[E（k）]是E（k）的函數，當|E（k）|≤B時(shí)，進(jìn)行常規的PID控制;當|E（k）|>（A+B）后，不再進(jìn)行積分項的累加;而當B|E（k）|>（A+B）時(shí)，f[E（k）]隨E（k）的減小而增大,累加速度加快。其中，A，B為分離區間。

4 結論

　　本文設計的機器人分布式控制系統，采用CAN總線(xiàn)作為通信方式，和過(guò)去機器人控制中常用的RS485總線(xiàn)相比具有通訊穩定可靠、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。在下位關(guān)節控制器中選用了Motorola DSP56F807作為控制芯片，既能方便地利用豐富的外圍模塊實(shí)現控制功能，又能以較快的運算速度實(shí)現復雜的控制算法，克服了過(guò)去利用MCU作為控制芯片時(shí)，難以實(shí)現復雜的控制算法的缺點(diǎn)。在控制器軟件中采用了改進(jìn)的變速積分PID算法，對關(guān)節位置、速度進(jìn)行數字PID控制。該控制系統即插即用，功能擴展和故障處理方便;連線(xiàn)簡(jiǎn)單，過(guò)去對6DOF的機械手進(jìn)行控制,需118根線(xiàn)纜（包括電機線(xiàn)、傳感器線(xiàn)和其它開(kāi)關(guān)量控制線(xiàn)），現在只需一根雙絞線(xiàn)，外觀(guān)也很美觀(guān);另外，各關(guān)節控制器直接分布在控制現場(chǎng)，使模擬信號傳輸距離明顯縮短，有效地改善了抗干擾能力。