【正文】 4 電機保護中斷模塊 ....................................................................................37 CAN 總線接口通信程序設(shè)計 ..........................................................................38 總 結(jié) .........................................................................................................................40 參考文獻 .....................................................................................................................41 致 謝 .........................................................................................................................42 附 錄 .........................................................................................................................43 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 課題 設(shè)計 的意義 機器人是一個正在蓬勃發(fā)展的重要領(lǐng)域。它集精密儀器、光學、電子遙感技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)之大成，形成了一門綜合的新技術(shù)。機器人技術(shù) 的 出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生了根本變化，對人類的社會生活產(chǎn)生了重大影響。 移動機器 人是 集環(huán)境感知、動態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，是機器人學的一個重要分支。具體來講，移動機器人就 是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在一定范圍內(nèi) 完成特定任務(wù)的遠動物體 [1]。 進入 21 世紀以來，各種恐怖事件不斷發(fā)生，迫切需要具有自主 運動 能力的移動機器人的出現(xiàn)，運用移動機 器人完成偵查、排爆及消防等任務(wù)。 近幾年發(fā)生的幾場局部戰(zhàn)爭中，機器人都發(fā)揮了很大的作用 。 移動機器人越來越多的運用于偵查地形及可疑爆炸物、拆除 炸彈等場合。所以，研制能代替人類在危險、惡劣環(huán)境下工作的具有一定自主能力的 移動機器人成為當前國內(nèi)外研究的熱點。而移動機器人運動控制器則是根據(jù)指令以及傳感器信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是移動機器人的心臟，決定了機器人性能的優(yōu)劣。 隨著移動機器人的智能化程度越來越高，對機器人運動控制器的性能要求也就越來越高。特別是隨著信息化的進程和計算機科學與技術(shù)、信息處理理論與方法等的迅速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，移動機器人對精度、數(shù)據(jù)處理速度和實時性的要求也越來越高，這就迫切需要更加強大的運動控制器的出現(xiàn) [2]。 因此，如果能設(shè)計出一款適合于特定機器人的運動控制器，它能提 升機器人運動控制的實時性和準確性 ，同時也能實現(xiàn)移動機器人復(fù)雜的控制算法，那將對推動機器人的發(fā)展非常重要 。 課題來源及 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 本課題來源于科研，根據(jù)任務(wù)書的具體要求，結(jié)合當前機器人的發(fā)展 現(xiàn)狀 ，研究和開發(fā)出一種自主移動機器人。 項目的具體要求為：采 用 ARM9 作為主控制器， TI 公司的 TMS320F2812芯片為分布式控制器，機器人的主要技術(shù)指標為：重量 ≤50kg； 工作時間 ≥5h；第一章 緒 論 2 行程 ≥2km； 最大速度 ≥3km/h； 爬坡能力 ≥30176。 ； 跨越臺階高度 ≥15cm。 近年來，隨著芯片技術(shù)的 飛 速發(fā)展，國外以 DSP 或 FPGA 作為芯片處理器的運動控制器越來越成為發(fā)展趨勢。這類控制器用 DSP 取代傳統(tǒng)的單片機，充分利用了 DSP 的高速數(shù)據(jù)處理功能、 FPGA 的超強 邏輯 處理能力，使得控制器具有高速信號處理能力和高效的通訊能力，并具有高集成度及高可靠性。 在工業(yè)市場需求的推動下，大部 分 DSP 運動控制器都是針對數(shù)控機床或工業(yè)機器人，即主要 應(yīng)用于步進電機，而應(yīng)用 于 三 相 電機控制的 DSP 控制器普及程度還不夠廣。但隨著對 三相電機控制技術(shù)需求的增加，國外對這方面的研究已經(jīng)取得很大突破。 國內(nèi)的 DSP 運動控制器起步較晚，之前一般都用單片機或 電機專用芯片來構(gòu)建控制器。 直到 20 世紀 90 年代，國外各 DSP 廠家在中國建立第三方。 它們?yōu)橹袊挠脩籼峁?技術(shù)支持以及售后服務(wù)，一定程度上推動了國內(nèi) DSP 應(yīng)用的發(fā)展。現(xiàn)在，這些 DSP 廠家的第三方基本都提供了一整套從直流伺服電機到交流伺服電機的 DSP 控制器，使得國內(nèi) DSP 控制器技術(shù)逐漸縮小了與國外的差距。 課題 設(shè)計 的主要內(nèi)容 本 次 設(shè)計的主要內(nèi)容是： 根據(jù)機器人的技術(shù)要求， 設(shè)計一個以 ARM9 作為主控制器、 DSP 作為分布式控制器的運動控制器，用于移動機器人的電機控制，滿足控制的實時性和精確性要求。 設(shè)計 DSP 的控 制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)硬件，同時設(shè)計電機控制的軟件程序，然后 將硬件 和軟件結(jié)合起來，評估控制器的性能，驗證 控制方案的可行性。 論文的主要章節(jié)介紹： 第一章 主要 闡述了課題研究的意義， 介紹了課題來源，分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及設(shè)計的主要內(nèi)容。 第二章 對小型地面移動機器人控制系統(tǒng) 進行了簡要的概述 。 同時 ， 根據(jù)任務(wù)書要求，對電動機進行了選型 。 介紹了電機的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制算法，設(shè)計出了控制器的總體結(jié)構(gòu)。 第三章 重點對 DSP 控制器進行了硬件上的設(shè)計，包括控制板、驅(qū)動板和電源板的設(shè)計。 第四章 主要內(nèi)容是控制器的軟件 設(shè)計，包括主程序設(shè)計、各種中斷程序的設(shè)計以及 CAN 總線通信程序的設(shè)計。 最后，對整個設(shè)計過程進行了概述性的總結(jié)。第二章 控制系統(tǒng)總體概述 3 第二章 控制 系統(tǒng)總體概述 機器人控制系統(tǒng)主要需要滿足以下幾個條件，概括起來講就是：系統(tǒng)具有較高的運算處理能力，控制性能優(yōu)良；系統(tǒng)必須具有較高的實時性和可靠性；系統(tǒng)盡可能的標準化、模塊化，具有良好的可擴展性；系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抗干擾能力；控制系統(tǒng)總重量輕、集成度高、體積小、功耗小 [3]。 根據(jù)任務(wù)書的要求，機器人控制系統(tǒng)大體上可以分為以下幾種功能模塊：上位計算機模塊、基于 ARM 的主 控制器 模塊、基于 DSP 的分布式控制器 模塊、CAN 總線通信模塊、電機及電機驅(qū)動 模塊等。上位機主要負責機器人的遠程控制，如遠程通信等。 ARM 處理器主要實現(xiàn)機器人的整體控制，并將機器人的信息 通過無線通信， 實時反饋給上位機。 DSP 分布式控制器控制機器人的姿態(tài)及運動情況。電機及電機驅(qū)動模塊能夠滿足直流電機的實 時 正常運轉(zhuǎn)需要，為機器人的運行提供動力。 移動機器人運動控制系統(tǒng) 總體 結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)的整體框圖如圖 21 所示。 圖 21 基于 DSP 小型地面移動機器人運動控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 以下簡要介紹整個控制系統(tǒng)的工作過程： 運動控制器采用電流環(huán)和速度環(huán)實現(xiàn)電動機的雙閉環(huán)控制。其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)。首先，通過霍爾位置傳感器信息計算出電機運行中的實時轉(zhuǎn)速，然后將實時電機轉(zhuǎn)速和給定的參考值之間的偏差經(jīng)積分分離 PID 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 采樣 信號 調(diào)理 DSP 控制器 光電 隔離 電 機 驅(qū) 動 電 路 直流電動機 電流 采樣 光電 隔離 復(fù)位 電路 外 部 存儲器 電 路 時鐘 電路 光電 隔離 無 線 通 信 ARM9 控制器 CAN總線通信 系 統(tǒng) 電 源 電 路 濾 波 電 路 信號 調(diào)理 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 4 后，輸出電流參考值。其次，將電流參考值與電機實際電流進行比較，得到的偏差送入電流調(diào)節(jié)器進行 PI 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的控制量用于改變 PWM 的占空比。最后，輸出的 PWM 信號經(jīng)電壓逆變后輸入電機，實現(xiàn)電機電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制。 軟件設(shè)計中利用 DSP 的邏輯運算功能，引入積分 分離 PID 速度控制，彌補PID 調(diào)節(jié)的不足，改善系統(tǒng)的控制性能，減小超調(diào)量 ，縮短速度 調(diào)整時間。這些都充分體現(xiàn)了 DSP 在運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性。 本次設(shè)計將重點放在 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計以及 DSP 分布式控制器對電機的控制、 DSP 與 ARM 之間的 CAN 總線通信上。對于擁有路徑規(guī)劃等 功能 的 ARM主 控制器 系統(tǒng)設(shè)計及其與上位機 計算機 之間的無線通信只作簡要述及。 電機的選擇 步進電機、有刷直流電機及無刷直流電機比較 （ 1）步進電機能夠直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制性能好，能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，抗干擾能力強，其 運行的角位移和線位移誤差不會長期積累。但啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)沖擊，且一般無過載能力。因此步進電機不適合作為機器人的驅(qū)動電機。 （ 2）直流電機的轉(zhuǎn)動慣性相對較小，控制特性好，響應(yīng)速度快，滿足機器人的靈敏性要求；且有很寬的調(diào)速范圍，速度快，滿足機器人的快速性要求；低速平穩(wěn)性好，滿足穩(wěn)定性要求；機械特性硬，過載能力強，可以滿足機器人的越障和爬坡要求。但是由于有換向器和電刷，導(dǎo)致電機可靠性變差，壽命較短，這將嚴重影響機器人 的 實際應(yīng)用。 （ 3）無刷直流電機作為一種新型的無級變 速電動機，不僅具有交流電機體積小、重量輕、慣性小等特點，而且擁有直流電動機優(yōu)良的調(diào)速性能，沒有機械換向器的特點 。它 結(jié)構(gòu)簡單，起動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，運行平穩(wěn)，噪聲低，效率高，工作壽命長，非常適合機器人的運行要求 [4]。 無刷直流電機如果采用 PWM 控制，只需要通過軟件改變 PWM 波 形 的占空比就可以實現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動機器人的靈活性非常有幫助。 考慮到機器人的體積和重量，帶減速器的電機成為首選，這樣只需要將電機輸出軸和驅(qū)動輪連接起來即可。最后，選擇了瑞士 MAXON 公司的直流無刷伺服電機 EC60 系列 作為機器人驅(qū)動 電機 （重量為 ） ，所配減速器為德國艾斯勒公司的產(chǎn)品，減速比 70/1，運行效率為 75%。 表 21 為所選用的移動機器第二章 控制系統(tǒng)總體概述 5 人直流電機參數(shù) 。 表 21 移動機器人直流電機參數(shù) 額定功率 400W 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 11000mNm 機械時間常數(shù) 額定電壓 48V 空載電流 740mA 最大效率 86% 最大工作電流 空載轉(zhuǎn)速 5400rpm 相間電阻 額定轉(zhuǎn)矩 688mNm 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 85mNm/A 相間電感 堵轉(zhuǎn)電流 139A 速度常數(shù) 113rpm/V 轉(zhuǎn)子慣量 831gcm2 無刷直流電機結(jié)構(gòu)及工作原理 MAXON 公司的 EC 系列電機屬于無刷直流電動機，它主要有電 機本體，霍爾位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。電 機本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子繞組分為 A、 B、 C 三相，每相相位相差 120176。，采用星形連接，三相繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接。轉(zhuǎn)子由 N、 S 兩極 組成，極 對數(shù)為 1。圖 22 為三相兩 極 無刷直流電機結(jié)構(gòu)。 圖 22 三相兩極無刷電機的結(jié)構(gòu) 電子開關(guān)線路用來控制電動機定子上各相繞 組通電的 順序 和時間，主要有功率邏輯開關(guān)單元和霍爾位置傳感器信號處理單元兩部分組成。功率邏輯開關(guān)單元將電源功率以一定的邏輯分配關(guān)系分配給電機定子上的各相繞組，以便使電機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩?；魻栁恢?傳感器 的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置信號，進而控制邏輯開關(guān)單元的各相繞組的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時間。 當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由霍爾位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn) 子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而起到了機械換向器的換向作用。 電機采用全橋驅(qū)動方式 ，下面是 電機在全橋驅(qū)動方式下的工作原理。圖 23是無刷直流電 機三相 繞組星形連接全橋驅(qū)動電路原理圖。 采用兩相導(dǎo)通三相六第二章 控制系統(tǒng)總體概述 6 狀態(tài)工作方式 ，每隔 1/6 周期換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管依次導(dǎo)通 120176。電角度， 功率管導(dǎo)通順序為 Q1Q4~Q1Q6~Q3Q6~Q3Q2~Q5Q2~Q5Q4。其中 Q1~Q6 為六個功率開關(guān)管，他們組成三相橋式逆變器。采用霍爾位置傳感器來檢測電機的轉(zhuǎn)子位置信號， 控制器根據(jù)電機的位置信息按一定順序組合六個功率開關(guān)管的導(dǎo)通，這樣電機的繞組也就按順序?qū)?，實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)。圖24 為無刷直流電機驅(qū)動時的反電勢和電流波形圖，梯形波 E 為三相繞組反電動勢波形，矩形波 I 為所