【正文】 C 相 + + + + 注：表中“ +”表示正向通電，“ ” 表示反向通電。功率開關(guān)管導(dǎo)通方式如圖 25所示。電角度， 功率管導(dǎo)通順序為 Q1Q4~Q1Q6~Q3Q6~Q3Q2~Q5Q2~Q5Q4。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(jī)械換向器的換向作用。 圖 22 三相兩極無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu) 電子開關(guān)線路用來控制電動機(jī)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。定子繞組分為 A、 B、 C 三相，每相相位相差 120176。最后，選擇了瑞士 MAXON 公司的直流無刷伺服電機(jī) EC60 系列 作為機(jī)器人驅(qū)動 電機(jī) （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(yùn)行效率為 75%。 （ 3）無刷直流電機(jī)作為一種新型的無級變 速電動機(jī)，不僅具有交流電機(jī)體積小、重量輕、慣性小等特點(diǎn)，而且擁有直流電動機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，沒有機(jī)械換向器的特點(diǎn) 。但啟動頻率過高或負(fù)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。這些都充分體現(xiàn)了 DSP 在運(yùn)動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性。首先，通過霍爾位置傳感器信息計算出電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)時轉(zhuǎn)速，然后將實(shí)時電機(jī)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(jī) 驅(qū) 動 電 路 直流電動機(jī) 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。電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊能夠滿足直流電機(jī)的實(shí) 時 正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要，為機(jī)器人的運(yùn)行提供動力。 根據(jù)任務(wù)書的要求，機(jī)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(jī)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(jī)及電機(jī)驅(qū)動 模塊等。 第三章 重點(diǎn)對 DSP 控制器進(jìn)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。 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。 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。 在工業(yè)市場需求的推動下，大部 分 DSP 運(yùn)動控制器都是針對數(shù)控機(jī)床或工業(yè)機(jī)器人，即主要 應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)，而應(yīng)用 于 三 相 電機(jī)控制的 DSP 控制器普及程度還不夠廣。 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(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)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。 隨著移動機(jī)器人的智能化程度越來越高，對機(jī)器人運(yùn)動控制器的性能要求也就越來越高。 近幾年發(fā)生的幾場局部戰(zhàn)爭中，機(jī)器人都發(fā)揮了很大的作用 。機(jī)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。軟件設(shè)計主要包括主程序設(shè)計 及各種中斷子程序設(shè)計。 這些電路包括 DSP 最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)電流檢測、電機(jī) 位置檢測 及電機(jī)過壓欠壓保護(hù) ， 并對其主要電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。摘 要 I 摘 要 近年來 ， 移動機(jī)器人應(yīng)用范圍越來越廣泛 ， 已經(jīng)被用于人類 生活的各個領(lǐng)域 ， 而應(yīng)用移動機(jī)器人完成偵查、排爆及消防等危險任務(wù)已 經(jīng)成為各國研究的重點(diǎn)。 采用 ARM9 作為 運(yùn)動控制器的 主控芯片 ， DSP 作為分布式控制芯片 ， 重點(diǎn)設(shè)計了 DSP 控制器的硬件電路。 在設(shè)計硬件電路和控制算法基礎(chǔ)之上 ， 完成了 DSP 控制軟件的設(shè)計。它集精密儀器、光學(xué)、電子遙感技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)之大成，形成了一門綜合的新技術(shù)。 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，各種恐怖事件不斷發(fā)生，迫切需要具有自主 運(yùn)動 能力的移動機(jī)器人的出現(xiàn)，運(yùn)用移動機(jī) 器人完成偵查、排爆及消防等任務(wù)。而移動機(jī)器人運(yùn)動控制器則是根據(jù)指令以及傳感器信息控制機(jī)器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是移動機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。 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(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展 現(xiàn)狀 ，研究和開發(fā)出一種自主移動機(jī)器人。這類控制器用 DSP 取代傳統(tǒng)的單片機(jī)，充分利用了 DSP 的高速數(shù)據(jù)處理功能、 FPGA 的超強(qiáng) 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。 直到 20 世紀(jì) 90 年代，國外各 DSP 廠家在中國建立第三方。 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(jī)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。 介紹了電機(jī)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(jī)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(yùn)算處理能力，控制性能優(yōu)良；系統(tǒng)必須具有較高的實(shí)時性和可靠性；系統(tǒng)盡可能的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，具有良好的可擴(kuò)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]。 DSP 分布式控制器控制機(jī)器人的姿態(tài)及運(yùn)動情況。其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)。 軟件設(shè)計中利用 DSP 的邏輯運(yùn)算功能，引入積分 分離 PID 速度控制，彌補(bǔ)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。 電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)、有刷直流電機(jī)及無刷直流電機(jī)比較 （ 1）步進(jìn)電機(jī)能夠直接實(shí)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(qiáng)，其 運(yùn)行的角位移和線位移誤差不會長期積累。但是由于有換向器和電刷，導(dǎo)致電機(jī)可靠性變差，壽命較短，這將嚴(yán)重影響機(jī)器人 的 實(shí)際應(yīng)用。 考慮到機(jī)器人的體積和重量，帶減速器的電機(jī)成為首選，這樣只需要將電機(jī)輸出軸和驅(qū)動輪連接起來即可。電 機(jī)本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。圖 22 為三相兩 極 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)。 當(dāng)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)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn) 子位置的變化而按一定的次序換相。 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。圖24 為無刷直流電機(jī)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 為所對應(yīng)繞組流過的電流波形。表 22列出了電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)時三相逆變器的導(dǎo)通順序。 并且， 在本設(shè)計中由于采用電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)電流波動較大時電機(jī)會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。導(dǎo)通的兩相電流 和兩相反電動勢 大小 都分別 相等但方向相反。將 (24)代入 (23)，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： mTmepem IKIKNT ?? 2 (25) 其中， epT KNK 2? 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 圖 26 是利用開關(guān)管 進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。由上式及 21 ttT ?? 可知， 以下 三種方法可以改變占空比 ? 的值： （ 1）定頻調(diào)寬法 ： 保持開關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間 1t . （ 2）定寬調(diào)頻法 ：保持開關(guān)導(dǎo)通時間 1t 不變，改變開關(guān)周期 T。 控制系統(tǒng)中，電源 不穩(wěn)定是系統(tǒng) 很大 的干擾源。 考慮到機(jī)器人重量和行程限制， 且 便于給直流電機(jī)供電， 整個控制系統(tǒng)使用 4 塊 天能 6DZM12 型 蓄電池 串聯(lián) 供電 。經(jīng)過仔細(xì)比較各電源芯片，最后選定了 和 LM2576HV15 作為電源芯片。 當(dāng)使用 LM2576HV15 時可輸出 15V 電壓 ， 而使用 就可輸出5V 電壓，完全能夠滿足驅(qū)動板的供電需求。MC34063 是單片雙極型線性集成電路，專用于直流 直流變換器控制部分。 12345678M C 3 40 6 3R s c0 .3 3V C C 241 00 u F4 70 P 4 70 u F1 .2 K3 .6 K1 00 u HD1(SBD)2 20 u H VDD5 圖 32 MC34063 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路 方案二 ： 應(yīng)用 LT1936 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。 ARM9采用 ARMV4T（ Harvard)結(jié)構(gòu)，五級流水處理以及分離的 Cache 結(jié)構(gòu)，平均功耗為 。 本次設(shè)計選擇了 基于 ARM920 核的微處理器 S3C2410X，利用 GPRS進(jìn)行 遠(yuǎn)程 無線通信 [5]。 CAN 模塊 一種是 獨(dú)立的 ，另一種是和 微處理器 集成在 一起 的 。 SJA1000 的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 34 所示。 AD023AD124AD225AD326AD427AD528AD61AD72A L E3CS4R D / E5WR6C L K O U T7V S S 18X T A L 19X T A L 210M O D E11VDD312T X 013T X 114V S S 315I N T16R S T17VDD218R X 019R X 120V S S 221VDD122U2 S A J 1 0 00C A N A D 0C A N A D 1C A N A D 2C A N A D 3C A N A D 4C A N A D 5C A N A D 6C A N A D 7VDD5X13 0M H z3 0P23 0PVDD5C A N R S TC A N A L EC A N C SC A N R DC A N W RC A N C L K O U TC21 04T X OT R OR21KR62 00VDD5I / OI / OI / OI / OI / OI / OI / OI / OVDD5I N P U T / C L KI / OI / OI / OI / OGNDC A N R S TU1 S 3C 2 4 1 0X VDD5C A N A D 0C A N A D 1C A N A D 2C A N A D 3C A N A D 4C A N A D 5C A N A D 6C A N A D 7C A N A L EC A N C SC A N R DC A N W RC A N C L K O U TC11 04C A N R S T 圖 35 S3C2410X 與 CAN 總線 連接 示意 圖 DSP 分布式 控制器 與 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計 目前，機(jī)器人電機(jī)控制器的主 控芯片主要有三種解決方案：電機(jī)專用集成芯片、單片機(jī)和 DSP 芯片。 單片機(jī)作為機(jī)器人運(yùn)動控制器時，也存在很多缺點(diǎn)。再次，在對無刷直流伺服電機(jī)的控制上，特別是對逆變器的開關(guān)控制上，單片機(jī)很難達(dá)到理想的開關(guān)速度，這對無刷直流伺服電機(jī)來說會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩波動。 （ 4）芯片內(nèi)部集成度高。 TMS320F2812 DSP芯片簡介 德州儀器所生產(chǎn) 的 TMS320F2812 是基于 TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器 。 TMS320F2812 的 功能方塊圖 如附錄 1 所示。 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計 在 DSP 系統(tǒng)中，時鐘電路是處理數(shù)字信息的基礎(chǔ)，同時也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源， 其性能好壞直接影響到系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，所以時鐘電路在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中占有至關(guān)重要的地位。 （ 2）有源晶振電路如圖 37 所示，其電路簡單、體積小、頻率范圍寬（ 1Hz～400MHz）、驅(qū)動能力強(qiáng)，可為多個器件使用。有多個時鐘輸出，適于多個時鐘源的系統(tǒng)。可以在第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計 16 較低的外部時鐘源的情況下，通過內(nèi)部集成的 PLL 鎖相環(huán)倍頻，獲得所需 工作頻率。 故選取 30MHz 的晶體，能夠滿足 DSP 的工作要求。 X N M I _ X I N T 1 3X I N T 1 _ X B I OX I N T 2 _ A D C S O CP W M