【doc】基于DSP和电压反馈的机器人多轴运动控制器设计

【doc】基于DSP和电压反馈的机器人多轴运动控制器设计 基于DSP和电压反馈的机器人多轴运动控 制器设计 基于DSP和电压反馈的机器人 多轴运动控制器设计 豳蠹}鬈蝣誊矗蜂女{露毒落《学{;??矗{一t|(《一;_' 摘要:本文对一种适合于机器人控制的多轴控制器的总体结构和相关知识进行了 介绍,并给出了控制器 l的详细#设计#和工作流程.该控制器选用DSP为主处理器,采用电压反馈的形 式,可应用于其 {它类似的控制机构中. 关键词:DSP;机器人;控制器; 引言 对于机器人控制技术,实时性 和稳定性是研究的重点.现阶段, 机器人控制的主要方法是在离线状 态下对步态进行规划,并在主控机 上对机器人的运动进行实时的补 偿,这种处理方法对处理器的运算 速度和处理能力提出了很高的要 求.传统的机器人控制器大多以 80C196系列单片机作为处理器,当 CAN总线 采用12MHz晶振时,其状态周期为 167ns,机器周期为1gs,不能满足 机器人控制的需要. DSP芯片处理速度可以达到几 纳秒,甚至更高,非常适合于机器 人控制.因此,本文选用DSP来代 替原有的单片机,同时借助底层电 压反馈技术,设计出一种分布式机 器人多轴运动控制器. 图l底层控制单元结构示意图图2控制器结构框图 基金项目:国家863资助项目(编号:2001AA422022). 控制系统结构与功能 本机器人控制系统结构是一个 典型的"PC+运动控制器"模式,其 中,主控计算机要求体积小,运算 速度快,通常采用嵌入式工控机. 主要负责整个系统的在线运动规 划,动作级运动控制,语音交互控 制,视觉导引控制以及人机交互等 功能.底层控制单元以控制器为核 心,采用电压反馈的方式对各运动 轴系进行控制,具体结构如图1所 示.控制器和主控计算机通过CAN 总线相连.这种通信方式降低了连 线的复杂程度,提高了通信的速 度,增强了系统的稳定性.此外,由 于只用两根线进行通信,结构也十 分灵活. 控制器是整个控制系统的核 心,通过接收主控计算机的控制命 令对各关节执行轴系进行控制,同 时把底层信息反馈给主控计算机, 实现大回路反馈,以便于主控计算 机协调规划,统一管理.控制器的 控制性能直接关系到机器人的运动 能力,本文专门设计了基于DSP和 ElectronicDesign&ApplicationWorld-NikkeiElectronicsChina 一 一 , , , 一 r , ,1, ':一, , , 一 :一 一 ' 1, , :, , <, ? t/ ,7- 一 r? : , , :,一,/【/一f)?曼 ,^,一fljf,(1 , ? , , :: 芝 毫 '==== : _ := ._= 耋,? 一一 =:== 图4控制系统流程图 电压反馈的多轴运动控制器. 控制器设计 机器人的各种运动由各个关节 轴系完成,每个轴系具有一个自由 度,可以完成某一方向的转动任 务,所有轴系同时协调工作就可以 完成相对复杂的运动.本文研究的 所有轴系均由PWM脉冲信号驱动 控制. 本多轴运动控制器结构如图2 所示.整个控制器以DSP为核心,分 为四大部分:DSP主处理器模块主 要完成信息处理和各种控制功能; A/D转换模块为主处理器提供运动 轴系的位置信息;外围电路完成电 压监控,参数存储,电路译码,光 电隔离等功能;通信模块负责与主 控计算机进行信息交互. DSP主处理器模块 DSP主处理器是整个控制器的 与主控计算机进行通信,其运算速 度,对信息的处理能力等方面直接 影响控制器的性能.本文选用的是 TI公司的TMS320LF2407A芯片,该 产品集实时处理能力和控制器外设 于一身,非常适用于工业控制. 在本文设计的控制器中, TMS320LF2407A工作电压为 3.3V,系统时钟为40MHz,数据总 线与A/D转换模块相连,接收A/D 转换结果;地址总线和控制总线与 外围电路中的译码部分相连,完成 各种译码和控制功能;PWM输出 端口为运动轴系提供控制信号;通 信接口与通信模块相连,负责与主 控计算机交互信息;中断接口与译 码电路相连,接受AID转换结束信 号触发的外部中断;复位接口连接 外部看门狗电路,当外部电压超出 规定的范围时复位主处理器;串行 接口连接外部存储器,从外部存储 器中读取控制算法所需的参数. A/D转换模块 外部电压传感器把运动轴系的 位置信息转换成电压信号,A/D转 换模块通过对此电压信号进行A/D 转换,为主处理器提供能够识别的 数字信号.本文设计的A/D转换电 路如图3所示.ADG508A为8选1 多路选择器,对输入的多路电压进 行选择,选出一路电压送转换器. AD622为电压放大器,同时具有滤 波功能,可以把输入的一5V,+5V电 ,+12V,以提高A压放大到一12V/D 转换的精度.AD976为16位A/D转 换器,把放大后的电压转换成+5V 数字信号.74LVTH245为8位电平 转换器,把+5V数字信号转换成主 处理器能够接受的+3.3V数字信号 核心,负责各种信息的处理,同时送TMS320LF2407A,使用时需两块 2004.11电字设计应用www.eaw.com.cri 并联组成一个16位的电平转换器. 外围电路模块 外围电路模块主要负责控制器 的电压监控,参数存储,电路译码, 光电隔离等功能.其中,电压监控 任务由外部看门狗电路完成,本文 选用的是DS1834A芯片.此芯片可 同时对电路板上+5V和+3.3V电压 进行监控,电压安全范围可进行调 节,还具有手动复位功能.如果电 压超出安全范围,则在相应引脚产 生低电平复位信号,直到电压恢复 正常后再经过350ms,复位引脚才 恢复高电平.若手动复位则两个复 位引脚同时产生复位信号. DSP主处理器执行控制算法所 需要的参数存放在外部存储器 X25650中,DSP通过串行外设接口 (SPI口)模块与X25650相连,从中 读取需要的参数数据. 电路译码功能由一块CPLD实 现,主要功能包括为ADG508A提供 端口选择信号,为AD976提供转换 开始信号,为74LVTH245提供输出 使能信号,接收AD976转换结束信 号并为DSP提供A/D转换结束中断 信号,接收DS1834A的复位信号并 为DSP提供复位脉冲信号等. 光电隔离器件选用高速光耦 6Nl37,主要是为控制器与外部环 境提供隔离,包括PWM脉冲控制信 号的隔离和CAN总线通信的隔离. 通信模块 通信模块主要是与主控计算机 进行通信,接收主控计算机的命令 并为主控计算机提供必要的数据. 由于TMS320LF2407A内部带有 CAN总线通信模块,所以只需外接 一 块CAN收发器就可以与外界进 行通信.收发器选用的是逝 一一f},()1)一 {【)0}.?/ , . , 广\ 一 图4软件设计流程图 度不会超过5.,这里取8..因此表 格就包括r与从一80.-+80.,步进为 0.1.的所有相位信自,对应的直流项 幅值.这样单片机就可以根据A\D 采样的直流项幅值在相位信息查找 表里找到相对应的具体正交相位精 度.本设计的流程图如图4所示. 结语 本信号源利用DDS技术产生正 交信号并采用闭环控制正交相位精 度,精度高,信号切换速度快,频率, 幅值,相位分辨率高,可自动调整由 负载引起的正交相位差变化.实现 了对50Hz,5MHz频率范围内正交信 号的幅值相位精确控制,现已成功 应用在ACFM无损检测仪器里.? 参考文献 1胡祥超.基于DDS技术的正 交信号源设计.【国防科技大学学位 论文].2003 2孙涵芳.Intel16位单片机.北 京:北京航空航天大学出版社, l995.Il 3CM0SDDSMOdU1ator AD7008.AnalogDevice.1995 4D.E.约翰逊,H.P.穆尔.有源 滤波器精确设计手册.北京:电子工 业出版社,1984 5孙静同志.数字式频率特性测试 仪设计.四川轻化工学院, SN65HVD230芯片,此芯片 与传统CAN收发器PCA82C250兼 容,且支持3.3V电压,可直接与 TMS320LF2407A连接.为提高通 信质量,中间需用光耦进行隔离. 控制流程与分析 此控制器可同时为8路轴系提 供控制功能,其工作流程如图4所 示,图中虚线所包围部分的功能由 控制器完成. 具体工作过程为:系统开始运 行并完成初始化工作;电压传感器 把执行轴系的位置信息转换成电压 信号;DSP主处理器向ADG508A发 送选择信号,选通一路电压信号经 放大器AD622放大后送AD976进行 A/D转换.选择哪一路电压由主处理 器地址线经译码后对ADG508A的端 口选择位进行控制,通常是八路轮 流选择.AD976的转换起始也由主处 理器控制,转换结束时发出结束信 号,经译码后提供给主处理器产生 外部中断,主处理器在中断子程序 中通过启动电平转换电路读取转换 后的数据.AD976的最高转换速率为 100KSPS,此速率下,8路同时转换, 每一路的转换速率为12.5KSPS,完 全可以满足控制的需要. 结语 本文设计的控制器,采用先选 路,再放大,最后转换的方式为DSP 主处理器提供需要的位置信息.整 个控制器结构简单灵活,工作稳定 可靠,非常适用于机器人控制,经 实践证明,此方法是行之有效的. 此控制器最多可同时控制8路轴系, 可根据实际情况进行选择,单路转 换速率最高达100KSPS.同时,本 设计还可以方便地移植到其它类似 的控制机构中去,以对各种PWM脉 冲驱动的轴系进行控制,是一种多 功能通用型控制器.一 参考文献 1方海军等.基于CAN总线的 自主式仿人型机器人控制系统.机 器人,2002,24(1) 2曹禺.仿人步行机器人机载 运动控制器的设计与应用.长沙: 国防科技大学机电工程与自动化学 院档案室(内部资料),2002 3石宗英等.基于现场总线的 仿人型机器人控制系统.工程与应 用,2002,(2) 4饶运涛等.现场总线CAN原 理与应用技术.北京:北京航空航 天大学出版社,2003 5江思敏等.TM$320LF240x DSP硬件开发教程.北京:机械工 业出版社,2003 6黄正瑾等.CPLD系统设计技 术入门与应用.北京:电子工业出 版社,2002 {I一一r一二一Z}jr, f{_1?,