基于DSP和電壓反饋的機器人多軸運動控制器的設(shè)計

引言

對于機器人控制技術(shù)，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(shù)，設(shè)計出一種分布式機器人多軸運動控制器?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能 本機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)也十分靈活?？刂破魇钦麄€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(guān)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(diào)規(guī)劃，統(tǒng)一管理?？刂破鞯目刂菩阅苤苯雨P(guān)系到機器人的運動能力，本文專門設(shè)計了基于DSP和電壓反饋的多軸運動控制器。控制器設(shè)計 機器人的各種運動由各個關(guān)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(zhuǎn)動任務，所有軸系同時協(xié)調(diào)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(qū)動控制。本多軸運動控制器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)品集實時處理能力和控制器外設(shè)于一身，非常適用于工業(yè)控制。在本文設(shè)計的控制器中，TMS320LF2407A 工作電壓為3.3V、系統(tǒng)時鐘為40MHz，數(shù)據(jù)總線與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，接收A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)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(shù)。A/D轉(zhuǎn)換模塊外部電壓傳感器把運動軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換模塊通過對此電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，為主處理器提供能夠識別的數(shù)字信號。本文設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的精度。AD976為16位A/D轉(zhuǎn)換器，把放大后的電壓轉(zhuǎn)換成+5V數(shù)字信號。74LVTH245為8位電平轉(zhuǎn)換器，把+5V數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成主處理器能夠接受的+3.3V數(shù)字信號送TMS320LF2407A，使用時需兩塊并聯(lián)組成一個16位的電平轉(zhuǎn)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(shù)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(diào)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(chǎn)生低電平復位信號，直到電壓恢復正常后再經(jīng)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(chǎn)生復位信號。DSP主處理器執(zhí)行控制算法所需要的參數(shù)存放在外部存儲器X25650中，DSP通過串行外設(shè)接口(SPI口)模塊與X25650相連，從中讀取需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)換開始信號、為74LVTH245提供輸出使能信號、接收AD976轉(zhuǎn)換結(jié)束信號并為DSP提供A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)。由于TMS320LF2407A內(nèi)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(zhì)量，中間需用光耦進行隔離?？刂屏鞒膛c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(zhuǎn)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進行A/D轉(zhuǎn)換。選擇哪一路電壓由主處理器地址線經(jīng)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(zhuǎn)換起始也由主處理器控制，轉(zhuǎn)換結(jié)束時發(fā)出結(jié)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啟動電平轉(zhuǎn)換電路讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AD976的最高轉(zhuǎn)換速率為100KSPS，此速率下，8路同時轉(zhuǎn)換，每一路的轉(zhuǎn)換速率為12.5KSPS，完全可以滿足控制的需要。結(jié)語 本文設(shè)計的控制器，采用先選路、再放大、最后轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單靈活，工作穩(wěn)定可靠，非常適用于機器人控制，經(jīng)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(jù)實際情況進行選擇，單路轉(zhuǎn)換速率最高達100KSPS。同時，本設(shè)計還可以方便地移植到其它類似的控制機構(gòu)中去，以對各種PWM脈沖驅(qū)動的軸系進行控制，是一種多功能通用型控制器。