【正文】 除 炸彈等場合。 ； 跨越臺階高度 ≥15cm?，F(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(jī)到交流伺服電機(jī)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。 第四章 主要內(nèi)容是控制器的軟件 設(shè)計(jì)，包括主程序設(shè)計(jì)、各種中斷程序的設(shè)計(jì)以及 CAN 總線通信程序的設(shè)計(jì)。 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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。 本次設(shè)計(jì)將重點(diǎn)放在 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及 DSP 分布式控制器對電機(jī)的控制、 DSP 與 ARM 之間的 CAN 總線通信上。它 結(jié)構(gòu)簡單，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，效率高，工作壽命長，非常適合機(jī)器人的運(yùn)行要求 [4]。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。 電機(jī)采用全橋驅(qū)動(dòng)方式 ，下面是 電機(jī)在全橋驅(qū)動(dòng)方式下的工作原理。 Q 1Q 6Q 4Q 3 Q 5Q 2ABC+ 圖 23 電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)方式 電路圖 tt t I a E a I b I c I c Eb EE 圖 24 無刷直流電機(jī)反電勢和電流波形圖 wtwtwtwtwtwtT1T2T3T4T5T6141636325254 圖 25 三相六狀態(tài) 120176。 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 現(xiàn)在 僅 以“ 120176。 由式 (24)可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程： emeT see msemr TKK RKUK IRUKE 22 ?????? (27) 式中， U 為電機(jī)繞組兩端的等效電壓值， sR 為電機(jī)各相繞組電阻值， RU 為電樞繞組的電阻壓降， LU 為繞組電感壓降。 本章小結(jié)： 本章主要 闡明了移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 總 體結(jié)構(gòu)， 討論了電機(jī)的選型， 無刷直流 電機(jī)的結(jié)構(gòu) 、 工作原理 及數(shù)學(xué)模型 ， 簡要介紹了 無刷 直流 電機(jī)的控制方法 。 6DZM12 電池參數(shù)見表 31。 DSP供電 電源 專用芯片的匹配電源 設(shè)計(jì) （ 1） 從 串聯(lián)的蓄電池 中間抽頭獲取 24V 電壓，經(jīng)過 DC/DC 變換器， 將 24V變換成 5V，以滿足 DSP 專用供電芯片的需要。 雖然 LT1936 DC/DC 變換器控制電路 與 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 的可靠性都比較好，輸出電流亦滿足設(shè)計(jì)要求，但是 MC34063 DC/DC 變換器控制芯片價(jià)格非常便宜，外圍電路 也較為 簡單， 因次選擇 了 方案一。 ARM9處理器 S3C2410X 與 CAN 總線的連接 CAN 總線是由德國 BOSCH 公司為實(shí)現(xiàn)汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的、支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。 S3C2410X 與 SAJ1000 的連接 如圖 35 所示 。其次，單片機(jī)一般采用馮 上述優(yōu)點(diǎn)都使得 DSP 控制器成為處理速度快、能力強(qiáng)、精度高及功耗較低的高性能電機(jī)控制器。在本系統(tǒng)中，通過 DSP 的外設(shè)模塊單元實(shí)現(xiàn)如下功能： （ 1） 通過事件管理器 (EV)模塊的 PWM 完全比較單元產(chǎn)生 6 路死區(qū)可編程的 PWM 信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元及功率轉(zhuǎn)換電路同時(shí)對無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制； （ 2） 利用 EV 模塊中的捕獲單元 (CAP)中斷對 電機(jī)換相時(shí)刻進(jìn)行捕獲；根據(jù)換相時(shí)捕獲端口狀態(tài)查詢換相表，實(shí)現(xiàn)對 電機(jī)的換相控制； （ 3） 當(dāng)產(chǎn)生故障信號時(shí)，利用 EV 模塊內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷單元，將所有PWM 輸出引腳置為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池欠壓及電機(jī)過流保護(hù)； （ 4） 采用片內(nèi)高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流等模擬量的采樣； （ 5） 利用 DSP 內(nèi)部豐富的中斷資源和定時(shí) /計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)故障等中斷和轉(zhuǎn)速 的 檢測。在使用晶振時(shí)，要注意時(shí)鐘信號電平，一般晶振輸出信號電平為 5V 或 ，對于要求輸入時(shí)鐘信號電平為 的器件（如VC540 F281X 等），不能選用晶振來提供時(shí)鐘信號。 本次設(shè)計(jì) 采用封裝好的晶體振蕩器 。 為 克服這種情況，除 在軟件上 采取 一些保護(hù)措施外，硬 件 上也必須做相 應(yīng)處理。本 設(shè)計(jì) 的復(fù)位電路 體現(xiàn)在 DSP 電源電路中。如果 I/O 電壓存在而核電壓不存在，會損害內(nèi)核。 該芯片同時(shí)具有手動(dòng)復(fù)位功能。 TPS767D301第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 18 芯片可以輸出 和 電壓，具有電源監(jiān)控功能，能夠在電源電壓波動(dòng)時(shí)及時(shí)給 DSP 復(fù)位，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。可以 選用兩個(gè)電源芯片 ，也可以使用 一個(gè)電源芯片，但是通過電感或者磁珠進(jìn)行隔離 [11]。 如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi) 此 信號不發(fā)生變化，自動(dòng)復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常， 對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。 為使 TMS320F2812 運(yùn)行在 150MHz 頻率下，通過內(nèi)部倍頻到 150MHz。常用器件為 CY22381（封裝如圖 38，有 3 個(gè)獨(dú)立的 PLL， 3 個(gè)時(shí)鐘輸出）和 CY2071A（有 1 個(gè) PLL， 3 個(gè)時(shí)鐘輸出）。 （ 1） 無源晶體電路最為簡單，如圖 36 所示。 針對應(yīng)用最佳化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， F28x 核心支持全新 CCS 環(huán)境的 C 編譯器，可以使用 C 語言和匯編語言混合編程。 （ 2）專用的乘 法器和累加器。雖然這些芯片集位置檢測、譯碼、過流、過熱、欠壓及正反轉(zhuǎn)選擇等許多功能于一身，但是它們只是將較簡第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 14 單的軟件算法固化在芯片內(nèi)部，使其不具備系統(tǒng)擴(kuò)展和升級的能力，降低了系統(tǒng)的靈活性 。本系統(tǒng)采用的是一種獨(dú)立的 CAN 總線控制器 SJA1000。與 ARM7 系列相似，其中的 ARM9 ARM940 和 ARM9E 為含 Cache的 CPU 核。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。 + V I N1O U T P U T2GND3F E E D B A C K4ON/OFF5U1L M 2 57 6 D11 N 58 2 2L11 00 u HC21 00 0 u FC11 00 u FV C C 48GGNDGGND GGNDGGNDGGNDV C C 15 / V C C 5 圖 31 LM2576 的典型應(yīng)用電路 第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 11 LM2576 系列 穩(wěn)壓器是單片集成電路，能夠提供降壓開關(guān)（ BUCK）的各種功能，能驅(qū)動(dòng) 3A 的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。 因此在電源 電路 設(shè)計(jì) 中，要 在 48V 電源信號的電源線和地線之間并聯(lián)一個(gè)大電解電容；在每個(gè)集成電路的電源端并聯(lián)一個(gè) 去耦電容濾除電源波動(dòng)在芯片電源引腳引起的電壓擾動(dòng)，降低電流沖擊的峰值， 防止因?yàn)殡娫瘩詈显斐稍骷荒苷９ぷ?。改?? 的值即可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是電機(jī)的 PWM 調(diào)速原理。 在理想情況下，由于任何時(shí)刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通， 不導(dǎo)通相的電流等于零。 根據(jù)每個(gè)導(dǎo)通狀態(tài) PWM 作用管子數(shù)目的不同，把 PWM 調(diào)制 分成“單斬”和 “雙斬” 兩種 方式 。其中 Q1~Q6 為六個(gè)功率開關(guān)管，他們組成三相橋式逆變器。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(jī)定子上的各相繞組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 表 21 為所選用的移動(dòng)機(jī)器第二章 控制系統(tǒng)總體概述 5 人直流電機(jī)參數(shù) 。因此步進(jìn)電機(jī)不適合作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其次，將電流參考值與電機(jī)實(shí)際電流進(jìn)行比較，得到的偏差送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的控制量用于改變 PWM 的占空比。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程通信等。 第二章 對小型地面移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng) 進(jìn)行了簡要的概述 。但隨著對 三相電機(jī)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。特別是隨著信息化的進(jìn)程和計(jì)算機(jī)科學(xué)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(dòng)機(jī)器人對精度、數(shù)據(jù)處理速度和實(shí)時(shí)性的要求也越來越高，這就迫切需要更加強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器的出現(xiàn) [2]。 移動(dòng)機(jī)器 人是 集環(huán)境感知、動(dòng)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(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支。 ARM 主 控制器 與 DSP 分布式 控制器 之間利 用 CAN 總線進(jìn)行通信 。 本次 設(shè)計(jì)了一款全數(shù)字控制的小型地面移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器 ， 具有控制、功率驅(qū)動(dòng)及各種保護(hù)等功能。 關(guān)鍵詞： 移動(dòng)機(jī)器人， ARM9， DSP 運(yùn)動(dòng)控制器，無刷直流電機(jī)， PWMABSTRACT II Abstract In present, the mobile robot has been aplied more and more widely. It has been used in all human life. It has bee the focus study to plete the dangerous tasks such as investigation, remove exploder and fire protection with mobile robot. With the mobile robot being more and more intelligent, the requirment of motion controller has been improved increasingly. It requires the controller with good realtime and rapid response capacity. The study had designed a motion controller of mobile robot with fully digital control system. It had the function of control, power driver and various overload protection. The ARM9 processor was used in the motion controller as main mand chip and DSP chips as the distributed controllers. The hardware circuits of DSP controller had been designed. It included the least control circuit of DSP, the circuit of motor drive, check current, position detection of motor, overvoltage and undervoltage protection. The main circuits had been analyzed detailed. The main processor ARM9 and distributed processors DSP using CAN bus municate with each other. The motion controller had double closed loops which were speed loop and current loop. The traditional PID control had been improved. The integral separation PID control had been used in the speed reguator. Based on the hardware circuits and the control arithmetic, the software design of the DSP controller had been pleted. It included the main program and various subprograms of interrupt. The program of motor munication, speed calculation, PWM output, speed control, munication with CAN and so on were also included in the subprogram. Key words: Mobile Robot, ARM9, DSP Motion Controller, BLDCM, PWM目 錄 III 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................