【正文】 ........... II 目 錄 ......................................................................................................................... III 第一章 緒 論 .............................................................................................................1 課題設(shè)計(jì)的意義 .................................................................................................1 課題來源及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................1 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 ........................................................................................2 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 .........................................................................................3 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ................................................................3 電機(jī)的選擇 ........................................................................................................4 步進(jìn)電機(jī)、有刷直流電機(jī)及無刷直流電機(jī)比較 .....................................4 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 .................................................................5 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 .........................................................................7 第三章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ...............................................................................10 控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) ..........................................................................................10 驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì) .......................................................................................10 DSP 供電電源專用芯片的匹配電源設(shè)計(jì) .............................................11 ARM9 主處理器概述及其與 CAN 總線的連接簡(jiǎn)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(jì) ......................................................13 TMS320F2812 DSP 芯片簡(jiǎn)介 ...................................................................14 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................................................................15 CAN 功能模塊硬件設(shè)計(jì) ..................................................................................20 PWM 信號(hào)隔離及驅(qū)動(dòng)電路 .............................................................................22 主電路設(shè)計(jì) ......................................................................................................23 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) ..........................................................................................25 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè) 計(jì) ......................................................................26 目 錄 IV 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .......................................................................................28 軟件開發(fā)環(huán)境 ..................................................................................................28 主程序設(shè)計(jì) ......................................................................................................28 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) ..........................................................................................30 中斷捕獲模塊 ............................................................................................30 PWM 產(chǎn)生模塊 ..........................................................................................32 定時(shí)器 1 中斷模塊 ...................................................................................34 電機(jī)保護(hù)中斷模塊 ....................................................................................37 CAN 總線接口通信程序設(shè)計(jì) ..........................................................................38 總 結(jié) .........................................................................................................................40 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................41 致 謝 .........................................................................................................................42 附 錄 .........................................................................................................................43 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 課題 設(shè)計(jì) 的意義 機(jī)器人是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的重要領(lǐng)域。所以，研制能代替人類在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下工作的具有一定自主能力的 移動(dòng)機(jī)器人成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。 近年來，隨著芯片技術(shù)的 飛 速發(fā)展，國(guó)外以 DSP 或 FPGA 作為芯片處理器的運(yùn)動(dòng)控制器越來越成為發(fā)展趨勢(shì)。 課題 設(shè)計(jì) 的主要內(nèi)容 本 次 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是： 根據(jù)機(jī)器人的技術(shù)要求， 設(shè)計(jì)一個(gè)以 ARM9 作為主控制器、 DSP 作為分布式控制器的運(yùn)動(dòng)控制器，用于移動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)控制，滿足控制的實(shí)時(shí)性和精確性要求。 最后，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了概述性的總結(jié)。 圖 21 基于 DSP 小型地面移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 以下簡(jiǎn)要介紹整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過程： 運(yùn)動(dòng)控制器采用電流環(huán)和速度環(huán)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)控制。對(duì)于擁有路徑規(guī)劃等 功能 的 ARM主 控制器 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其與上位機(jī) 計(jì)算機(jī) 之間的無線通信只作簡(jiǎn)要述及。 無刷直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對(duì)提高移動(dòng)機(jī)器人的靈活性非常有幫助。轉(zhuǎn)子由 N、 S 兩極 組成，極 對(duì)數(shù)為 1。圖 23是無刷直流電 機(jī)三相 繞組星形連接全橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖。導(dǎo)通方式 第二章 控制系統(tǒng)總體概述 7 電機(jī)運(yùn)行過程中，電子換相的關(guān)鍵在于：當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置變化的同時(shí)，查詢換相邏輯表，并開通下一位置狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的功率電子開關(guān)組合。導(dǎo)通型”電機(jī)為例，對(duì) 與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行研究分析：對(duì)于星形連接的三相無刷直流電機(jī)，在理想條件下， 任何時(shí)刻只有兩相繞組通電導(dǎo)通。 從上公式 (25) (27)可以 看 出： （ 1）無刷直流電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩與逆變器直流側(cè)電流值為常系數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)逆變器直流側(cè)電流的大小可實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)； （ 2）當(dāng)逆變器直流側(cè)電流恒定不變，即電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)繞組兩端所加等效直流電壓值成正比，調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端所加等效直流電壓值 U 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 10 第三章 控制系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng) 電源設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)電源時(shí)要考慮的因素 有 ： 輸出的電壓、電流、功率 ； 輸入的電壓、電流；安全因素；輸出紋波； 電磁兼容和 干擾；體積 和 功耗 限制； 成本限制 等 。 表 31 天能 6DZM12 型蓄 電池參數(shù) 表 標(biāo)稱電壓 12V 額定容量 12HR 參考重量 尺寸（長(zhǎng)） 151mm 尺寸（寬） 99mm 尺寸（高） 95mm 驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì) 由于驅(qū)動(dòng)板上的驅(qū)動(dòng)芯片需要 +15V 的電壓和較大的驅(qū)動(dòng)電流，其電源 還要與 DSP 控制 板 電源隔離，因此專門為其設(shè)計(jì)了電源。 方案一 ： 應(yīng)用 MC34063 DC/DC 變換器控制電路 將 24V 直流 降壓為 5V。 第三 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì) 12 B O O S T1V I N2SW3GND4S H D N5FB6VC7C O M P8L T 1 9 3 6V C C 24L1 1 5u HD2 1 N 40 0 7C30 .2 2 uFVDD5C14 .7 u FR2 1 0KR13 1. 6 KC22 2u FV C C 24GGND 圖 33 LT1936 DC/DC 變換器 應(yīng)用電路 ARM9 主 處理器 概述及其 與 CAN 總線的連接 簡(jiǎn)介 ARM9處理器概述 ARM9 系列處理器是英國(guó) ARM 公司設(shè)計(jì)的主流 嵌入式 處理器 。 CAN 總線具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信介質(zhì)可 以 是雙絞線、同軸電纜或光纖；通信方式靈活 ； 可 以多主從方式工作，可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 、 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；采用短幀通訊格式，保證了實(shí)時(shí)性和可靠性，可滿足一般工業(yè)應(yīng)用；非破壞總線仲裁技術(shù)，具有多優(yōu)先級(jí)；集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通訊數(shù)據(jù)的成幀處理工作。 SAJ1000 與 CAN 物理 總線的連接 將 在 CAN 功能模塊硬件設(shè)計(jì)章節(jié)給予說明。諾依曼