一種基于DSP的移動機器人運動控制器設(shè)計

管 勛，葉邦彥，劉建平

（1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動機器人正朝著高速、高精度、開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，對運動控制器也提出了更高的要求[1]。機器人控制器時機器人的核心部分，是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一；同時，機器人運動控制器的設(shè)計也是最具有難度的工作之一。一方面，對于不同類型的機器人，控制器綜合的方法有很大差別；另一方面，機器人是一類強耦合、高度非線性且含有諸多不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)，其控制難度非常大，通常機器人系統(tǒng)的先進程度和功能強弱受到控制技術(shù)的影響[2]。因此，機器人運動控制器一直受到許多學(xué)者的廣泛研究[3]。

機器人運動控制器的設(shè)計過程包括硬件和軟件的設(shè)計，高性能的運動控制器需要具備精確的硬件和高效的軟件。因此，處理芯片的選擇在控制器設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。近年來，市面上不斷涌現(xiàn)出各種高性能處理芯片，而TI公司生產(chǎn)的系列DSP數(shù)字信號處理器則是典型代表之一[4]。TMS320F2812是TI公司專門針對運動控制領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)的一款高性能微處理芯片，它以32位定點CPU為內(nèi)核，配置了完善的外圍設(shè)備[5]，非常適合于各種移動機器人系統(tǒng)的控制。本文以三輪全向機器人為載體，設(shè)計了一種高性能的基于DSP芯片的運動控制器，該控制器具有很好的實用性。一方面，該控制器同市場上的控制器相比具有很高的性價比，其成本低，同時又能夠很好的滿足設(shè)計所需的控制要求；另一方面，該控制器具有良好的擴展性，能夠在后續(xù)的研究中很方便的增加其他傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊以及一些控制功能模塊。

1 控制器整體方案

文中控制器的設(shè)計采用控制電路與驅(qū)動電路分離的辦法，驅(qū)動電路共用一個控制電路。它將控制部分和電機驅(qū)動部分分開，上位機發(fā)送一個機器人車體的平動速度和旋轉(zhuǎn)速度，下位機控制電路利用高性能處理器經(jīng)特定算法運算出三個電機的速度，進而更新控制電機的PWM波占空比，這樣電機幾乎同時執(zhí)行新速度的動作，保證了電機運行的同步性；速度分配運算由高速的下位機執(zhí)行，減少了低速的串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，有利于系統(tǒng)的實時性和快速性。另外控制電路與PC機只用一根串口線通信，不存信號在競爭的問題，可以實現(xiàn)雙向通信，這樣可以擴展其他功能，如為了滿足圖像定位需要，將電機碼盤反饋速度上傳到PC機中；在控制電路中增加按鈕開關(guān)；羅盤與控制器共用一條串口線等。控制器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖1所示。

2 控制器硬件系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動電路

2.1.1 直流電機PWM調(diào)速

圖1 控制器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Detailed configuration block diagram of the controller

直流伺服電機的調(diào)速方法可分為改變電樞電壓、電樞回路串入電阻和改變主磁通3種方式[6]。其中改變電樞電壓調(diào)速的方法，通過將電壓從額定電壓向下調(diào)小，來獲得比額定轉(zhuǎn)速更低的轉(zhuǎn)速，具有調(diào)速范圍大的優(yōu)點。因此，本文的設(shè)計采用改變電樞電壓的方式。對電樞電壓的控制采用的是較為常用的開關(guān)驅(qū)動方式，通過脈寬調(diào)制（PWM）來控制半導(dǎo)體功率器件的開關(guān)狀態(tài)，從而實時改變電機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。

直流PWM調(diào)速控制示意圖如圖2所示。開關(guān)S1重復(fù)動作時，在電動機電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電機電樞兩端的電壓平均值Uav為：

式中α稱為占空比，α=ton/T。α的變化范圍為0≤α≤1。由式（1）可知，平均電壓由脈沖占空比及電源電壓所決定，與占空比成正比。改變占空比能夠相應(yīng)地改變平均電壓，也就實現(xiàn)了對直流電動機的PWM調(diào)速。

圖2 直流PWM調(diào)速控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of DC PWM speed regulation

2.1.2 H橋驅(qū)動電路

為了實現(xiàn)電機雙向控制，采用H橋電路。這種驅(qū)動電路驅(qū)動效率高、耐壓高、驅(qū)動電流大，另外可以很方便實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動?？赡嬷绷鱌WM控制中的H橋電路[7]如圖3所示。

圖3 H橋電路原理圖Fig.3 Principle diagram of H bridge circuit

為控制電機方向，可通過S1、S2、S3、S4的通斷來實現(xiàn)。S1、S2為一組同時通斷，S3、S4為一組同時通斷。當(dāng)S1、S2接通，S3、S4 關(guān)斷，電流通過 S1 流向 S2，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng) S3、S4 接通，S1、S2關(guān)斷，電流通過S4流向S3，電流反向，電機反轉(zhuǎn)。

為構(gòu)建H橋電路，需要選用IRFR4105作為MOS門功率器件。它能快速實現(xiàn)通斷，工作頻率可達(dá)1.0 MHz通流30 A，耐壓55 V，且體積很小，成本低。為驅(qū)動H橋電路的功率管，這里選用懸浮自舉電源驅(qū)動電路，以保證柵極與源極或射極間的驅(qū)動電壓在10～20 V之間，使功率管工作在飽和狀態(tài)。為此，采用美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動芯片。它體積小，應(yīng)用電路簡單靈活。內(nèi)部高、低壓側(cè)驅(qū)動電路相互獨立；輸入信號可低至5 V，可直接用TTL電平控制；芯片內(nèi)部包含一個關(guān)斷保護信號輸入SD[8]。IR2110驅(qū)動芯片輸出信號與輸入信號同相，且利用自舉技術(shù)使功率管工作在飽和狀態(tài)，從而達(dá)到PWM控制H橋電路的功能。其設(shè)計電路如圖4所示。

圖4 IR2110驅(qū)動功率管電路Fig.4 Driver power tube circuit with IR2110

2.2 多電壓輸出電源電路

移動機器人要求能夠自由行走，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各個功能模塊都有不同的供電電源要求。本文設(shè)計的移動機器人平臺共需要4種供電電壓：電機驅(qū)動電壓24 V、5 V外部電子器件供電、DSP外設(shè)3.3 V供電、DSP內(nèi)核1.8 V供電。其中包括TTL和CMOS電平，所以這是一個混合的多電壓系統(tǒng)。設(shè)計中，擬選擇24 V的車載電源，經(jīng)過一定的穩(wěn)壓濾波措施后直接驅(qū)動電機。同時24 V電壓通過兩級電壓調(diào)節(jié)器，分別輸出系統(tǒng)所需要的5 V電壓，以及向DSP供電的3.3 V和1.8 V。解決方案如圖5所示。

圖5 電源解決方案Fig.5 Solution for power supply

根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾和穩(wěn)定性要求，采用WRB_S-2W電源模塊，產(chǎn)生輸出電流為400 mA的+5 V電源。該電源模塊有很多優(yōu)點，體積?。ㄖ挥?22.0×9.5×12.0 mm），寬輸入電壓（18.0～36.0 V），短路保護（自恢復(fù)），供電電壓地與輸出電壓地隔離。同時，設(shè)計采用TI公司生產(chǎn)的帶上電次序的電源管理芯片TPS70151。該芯片特別適合于DSP應(yīng)用的場合，功耗低，工作穩(wěn)定。TPS70151芯片輸入電壓為+5 V，提供雙電源輸出，分別為3.3 V和1.8 V。在本設(shè)計中，TPS70151芯片的SEQ 端上拉，使得 Vout2（1.8 V）先上電，Vout1（3.3 V）后上電，可以滿足DSP芯片上電順序的要求。同時該芯片具有手動復(fù)位和上電復(fù)位功能，每個電源輸出都有單獨的輸出使能和復(fù)位控制，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)功能。

3 控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 程序整體框架

機器人的各個功能主要由主程序和中斷程序完成。主程序主要任務(wù)為：完成各模塊初始化工作，調(diào)配各個模塊的程序運行，如調(diào)用PID調(diào)節(jié)函數(shù)設(shè)置PWM波占空比，上傳DSP檢測到的信號等。其余工作由中斷函數(shù)自行完成。如串口接收中斷，能自動完成指令接收及提取；T3定時中斷完成3個電機轉(zhuǎn)速分別采樣，及啟動AD轉(zhuǎn)換。程序整體框圖如圖7所示。

圖6 電源和復(fù)位電路Fig.6 Circuit of power supply and RST

圖7 程序整體框圖Fig.7 Program diagram of the whole

3.2 主程序

運動控制器接收上位機發(fā)送的控制指令，獲取機器人的運動參數(shù)，通過接收和處理反饋信息，實現(xiàn)閉環(huán)控制。主程序主要工作有：系統(tǒng)初始化、讀取上位機指令、調(diào)用指令執(zhí)行函數(shù)、進行PID運算及PWM波輸出等。系統(tǒng)初始化是后續(xù)軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，主要完成系統(tǒng)寄存器的設(shè)置和變量的初始化等工作；為便于擴展功能和實時響應(yīng)上位機命令，采用逐條指令的讀取串口信號，然后逐條執(zhí)行命令；PID運算及PWM波形輸出是控制器的主要功能，需要實時更新，故放入主函數(shù)的循環(huán)函數(shù)當(dāng)中，將所有的空余時間用于PWM的實時更新。具體的控制流程框圖如圖8所示。

3.3 T3定時中斷程序

碼盤脈沖計數(shù)需要用軟件來實現(xiàn)脈沖數(shù)采集及轉(zhuǎn)換，得到電機的轉(zhuǎn)速值。這里采用T3定時中斷實現(xiàn)這一功能。T3每中斷一次，就分別采集3個電機對應(yīng)的計數(shù)值，然后利用周期求出轉(zhuǎn)速。為使AD轉(zhuǎn)換不過于頻繁，可以通過T3來控制它的轉(zhuǎn)換頻率。具體程序流程圖如圖9所示。

3.4 串口接收中斷程序

為了有效識別上位機的發(fā)送指令，需要逐條指令地對接收的數(shù)據(jù)進行讀取。怎么判斷一條命令結(jié)束呢，可通過一個或者多個結(jié)束符來標(biāo)識。每收到一個字符產(chǎn)生一個串口中斷，暫時保存起來。一旦接收到命令結(jié)束符后，就結(jié)束該條命令的接收，產(chǎn)生一個接收命令的標(biāo)志以及指令標(biāo)號，以供主程序判斷是否接收到一條完整的命令及該條指令為哪條指令，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。串口中斷程序流程圖如圖10所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main programming flow chart

圖9 T3中斷程序流程圖Fig.9 T3 interrupt programming flow chart

4 結(jié)束語

隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人將變得越來越復(fù)雜，對運動控制器的要求也越來越高。因此，機器人運動控制器也將逐漸成為機器人研究領(lǐng)域的熱點。

運動控制器作為移動機器人的核心部分之一，對機器人平穩(wěn)運行起著重要作用。本文在現(xiàn)有的機械系統(tǒng)平臺下，為該機器人建立全方位運動模型，同時從硬件和軟件兩個方面設(shè)計了一款以DSP為核心的運動控制器[9]，該控制器能夠很好的滿足控制精度高、穩(wěn)定性好、擴展性能好的要求。另一方面，有關(guān)機器人的研究正逐漸從單個機器人系統(tǒng)向多機器人系統(tǒng)發(fā)展，所以下一步的工作將是在現(xiàn)有的控制器基礎(chǔ)上，考慮實現(xiàn)多機器人協(xié)作的功能擴展。

圖10 串口中斷程序流程圖Fig.10 Serial port interrupt programming flow chart

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