基于DSP和電壓反饋的機器人多軸運動(dòng)控制器的設計

對于機器人控制技術(shù)，實(shí)時(shí)性和穩定性是研究的重點(diǎn)?，F階段，機器人控制的主要方法是在離線(xiàn)狀態(tài)下對步態(tài)進(jìn)行規劃，并在主控機上對機器人的運動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)，其狀態(tài)周期為167ns，機器周期為1ms，不能滿(mǎn)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(lái)代替原有的單片機，同時(shí)借助底層電壓反饋技術(shù)，設計出一種分布式機器人多軸運動(dòng)控制器。

本機器人控制系統結構是一個(gè)典型的“PC+運動(dòng)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(gè)系統的在線(xiàn)運動(dòng)規劃、動(dòng)作級運動(dòng)控制、語(yǔ)音交互控制、視覺(jué)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(dòng)軸系進(jìn)行控制，具體結構如圖1所示?？刂破骱椭骺赜嬎銠C通過(guò)CAN總線(xiàn)相連。這種通信方式降低了連線(xiàn)的復雜程度，提高了通信的速度，增強了系統的穩定性。此外，由于只用兩根線(xiàn)進(jìn)行通信，結構也十分靈活。

控制器是整個(gè)控制系統的核心，通過(guò)接收主控計算機的控制命令對各關(guān)節執行軸系進(jìn)行控制，同時(shí)把底層信息反饋給主控計算機，實(shí)現大回路反饋，以便于主控計算機協(xié)調規劃，統一管理?？刂破鞯目刂菩阅苤苯雨P(guān)系到機器人的運動(dòng)能力，本文專(zhuān)門(mén)設計了基于DSP和電壓反饋的多軸運動(dòng)控制器。

機器人的各種運動(dòng)由各個(gè)關(guān)節軸系完成，每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度，可以完成某一方向的轉動(dòng)任務(wù)，所有軸系同時(shí)協(xié)調工作就可以完成相對復雜的運動(dòng)。本文研究的所有軸系均由PWM脈沖信號驅動(dòng)控制。

本多軸運動(dòng)控制器結構如圖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轉換模塊為主處理器提供運動(dòng)軸系的位置信息；外圍電路完成電壓監控、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(jìn)行信息交互。

DSP主處理器是整個(gè)控制器的核心，負責各種信息的處理，同時(shí)與主控計算機進(jìn)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(chǎn)品集實(shí)時(shí)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、系統時(shí)鐘為40MHz，數據總線(xiàn)與A/D轉換模塊相連，接收A/D轉換結果；地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)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(dòng)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(mén)狗電路，當外部電壓超出規定的范圍時(shí)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。

外部電壓傳感器把運動(dòng)軸系的位置信息轉換成電壓信號，A/D轉換模塊通過(guò)對此電壓信號進(jìn)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(jìn)行選擇，選出一路電壓送轉換器。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(shí)需兩塊并聯(lián)組成一個(gè)16位的電平轉換器。

外圍電路模塊主要負責控制器的電壓監控、參數存儲、電路譯碼、光電隔離等功能。其中，電壓監控任務(wù)由外部看門(mén)狗電路完成，本文選用的是DS1834A芯片。此芯片可同時(shí)對電路板上+5V和+3.3V電壓進(jìn)行監控，電壓安全范圍可進(jìn)行調節，還具有手動(dòng)復位功能。如果電壓超出安全范圍，則在相應引腳產(chǎn)生低電平復位信號，直到電壓恢復正常后再經(jīng)過(guò)350ms，復位引腳才恢復高電平。若手動(dòng)復位則兩個(gè)復位引腳同時(shí)產(chǎn)生復位信號。

DSP主處理器執行控制算法所需要的參數存放在外部存儲器X25650中，DSP通過(guò)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(shí)現，主要功能包括為ADG508A提供端口選擇信號、為AD976提供轉換開(kāi)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(xiàn)通信的隔離。

通信模塊主要是與主控計算機進(jìn)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(xiàn)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。

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(xiàn)所包圍部分的功能由控制器完成。

具體工作過(guò)程為：系統開(kāi)始運行并完成初始化工作；電壓傳感器把執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(jīng)放大器AD622放大后送AD976進(jìn)行A/D轉換。選擇哪一路電壓由主處理器地址線(xiàn)經(jīng)譯碼后對ADG508A的端口選擇位進(jìn)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(shí)發(fā)出結束信號，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(guò)啟動(dòng)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(shí)轉換，每一路的轉換速率為12.5KSPS，完全可以滿(mǎn)足控制的需要。

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(gè)控制器結構簡(jiǎn)單靈活，工作穩定可靠，非常適用于機器人控制，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，可根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇，單路轉換速率最高達100KSPS。同時(shí)，本設計還可以方便地移植到其它類(lèi)似的控制機構中去，以對各種PWM脈沖驅動(dòng)的軸系進(jìn)行控制，是一種多功能通用型控制器。