【正文】 ............................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. II 目 錄 ......................................................................................................................... III 第一章 緒 論 .............................................................................................................1 課題設(shè)計的意義 .................................................................................................1 課題來源及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................1 課題設(shè)計的主要內(nèi)容 ........................................................................................2 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 .........................................................................................3 移動機器人運動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ................................................................3 電機的選擇 ........................................................................................................4 步進電機、有刷直流電機及無刷直流電機比較 .....................................4 無刷直流電機結(jié)構(gòu)及工作原理 .................................................................5 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型 .........................................................................7 第三章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ...............................................................................10 控制系統(tǒng)電源設(shè)計 ..........................................................................................10 驅(qū)動板電源設(shè)計 .......................................................................................10 DSP 供電電源專用芯片的匹配電源設(shè)計 .............................................11 ARM9 主處理器概述及其與 CAN 總線的連接簡介 .....................................12 ARM9 處理器概述 ....................................................................................12 ARM9 處理器 S3C2410X 與 CAN 總線的連接 ......................................12 DSP 分布式控制器與 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計 ......................................................13 TMS320F2812 DSP 芯片簡介 ...................................................................14 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計 ....................................................................................15 CAN 功能模塊硬件設(shè)計 ..................................................................................20 PWM 信號隔離及驅(qū)動電路 .............................................................................22 主電路設(shè)計 ......................................................................................................23 電流檢測電路設(shè)計 ..........................................................................................25 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè) 計 ......................................................................26 目 錄 IV 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 .......................................................................................28 軟件開發(fā)環(huán)境 ..................................................................................................28 主程序設(shè)計 ......................................................................................................28 中斷服務(wù)程序設(shè)計 ..........................................................................................30 中斷捕獲模塊 ............................................................................................30 PWM 產(chǎn)生模塊 ..........................................................................................32 定時器 1 中斷模塊 ...................................................................................34 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。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]。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(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點。 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(zhǔn)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 。 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。 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。 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。 同時 ， 根據(jù)任務(wù)書要求，對電動機進行了選型 。 最后，對整個設(shè)計過程進行了概述性的總結(jié)。 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。 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。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。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。 （ 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。 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。 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。轉(zhuǎn)子由 N、 S 兩極 組成，極 對數(shù)為 1?；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。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)。導(dǎo)通方式 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 7 電機運行過程中，電子換相的關(guān)鍵在于：當(dāng)檢測到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置變化的同時，查詢換相邏輯表，并開通下一位置狀態(tài)所對應(yīng)的功率電子開關(guān)組合。 采用單斬 PWM 方式對無刷直流電動機進行控制時，流過電機繞組的最大電流波動值是雙斬 PWM 方式下的一半 。導(dǎo)通型”電機為例，對 與電動機驅(qū)動相關(guān)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性進行研究分析：對于星形連接的三相無刷直流電機，在理想條件下， 任何時刻只有兩相繞組通電導(dǎo)通。 則電磁功率又可表示為：