【正文】 電順序正傳（逆時(shí)針）反轉(zhuǎn)（順時(shí)針）轉(zhuǎn)子位置（電角度）0606012012018018024024030030036036030024030018024012018060120060開(kāi)關(guān)管1，41，63，63，25，25，43，61，61，45，45，23，2A相++++B相++++C相++++注：表中“+”表示正向通電，“” 表示反向通電。導(dǎo)通方式電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(kāi)通下一位置狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的功率電子開(kāi)關(guān)組合。功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通方式如圖25所示。采用霍爾位置傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制器根據(jù)電機(jī)的位置信息按一定順序組合六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，這樣電機(jī)的繞組也就按順序?qū)ǎ瑢?shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。電角度，功率管導(dǎo)通順序?yàn)镼1Q4~Q1Q6~Q3Q6~Q3Q2~Q5Q2~Q5Q4。圖23是無(wú)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。由于電子開(kāi)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?；魻栁恢脗鞲衅鞯淖饔檬菣z測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的位置信號(hào)，進(jìn)而控制邏輯開(kāi)關(guān)單元的各相繞組的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時(shí)間。圖22 三相兩極無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)電子開(kāi)關(guān)線路用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間，主要有功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和霍爾位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成。轉(zhuǎn)子由N、S兩極組成，極對(duì)數(shù)為1。定子繞組分為A、B、C三相，每相相位相差120176。表21 移動(dòng)機(jī)器人直流電機(jī)參數(shù)額定功率400W堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩11000mNm機(jī)械時(shí)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(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理MAXON公司的EC系列電機(jī)屬于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它主要有電機(jī)本體，霍爾位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。最后，選擇了瑞士MAXON公司的直流無(wú)刷伺服電機(jī)EC60系列作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)（），所配減速器為德國(guó)艾斯勒公司的產(chǎn)品，減速比70/1，運(yùn)行效率為75%。無(wú)刷直流電機(jī)如果采用PWM控制，只需要通過(guò)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。（3）無(wú)刷直流電機(jī)作為一種新型的無(wú)級(jí)變速電動(dòng)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(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，沒(méi)有機(jī)械換向器的特點(diǎn)。（2）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性相對(duì)較小，控制特性好，響應(yīng)速度快，滿足機(jī)器人的靈敏性要求；且有很寬的調(diào)速范圍，速度快，滿足機(jī)器人的快速性要求；低速平穩(wěn)性好，滿足穩(wěn)定性要求；機(jī)械特性硬，過(guò)載能力強(qiáng)，可以滿足機(jī)器人的越障和爬坡要求。但啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)沖擊，且一般無(wú)過(guò)載能力。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(wú)線通信只作簡(jiǎn)要述及。這些都充分體現(xiàn)了DSP在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性。最后，輸出的PWM信號(hào)經(jīng)電壓逆變后輸入電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制。首先，通過(guò)霍爾位置傳感器信息計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，然后將實(shí)時(shí)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)后，輸出電流參考值。 轉(zhuǎn)速采樣信號(hào)調(diào)理DSP控制器光電隔離電 機(jī)驅(qū) 動(dòng)電 路直流電動(dòng)機(jī)電流采樣光電隔離復(fù)位電路外 部存儲(chǔ)器電 路時(shí)鐘電路光電隔離無(wú) 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(hào)調(diào)理 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(guò)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。電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能夠滿足直流電機(jī)的實(shí)時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要，為機(jī)器人的運(yùn)行提供動(dòng)力。ARM處理器主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體控制，并將機(jī)器人的信息通過(guò)無(wú)線通信，實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)。根據(jù)任務(wù)書(shū)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(jì)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(dòng)模塊等。最后，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了概述性的總結(jié)。第三章 重點(diǎn)對(duì)DSP控制器進(jìn)行了硬件上的設(shè)計(jì)，包括控制板、驅(qū)動(dòng)板和電源板的設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了選型。 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(lái)源，分析了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。 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。它們?yōu)橹袊?guó)的用戶提供技術(shù)支持以及售后服務(wù)，一定程度上推動(dòng)了國(guó)內(nèi)DSP應(yīng)用的發(fā)展。國(guó)內(nèi)的DSP運(yùn)動(dòng)控制器起步較晚，之前一般都用單片機(jī)或電機(jī)專用芯片來(lái)構(gòu)建控制器。在工業(yè)市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，大部分DSP運(yùn)動(dòng)控制器都是針對(duì)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。近年來(lái)，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(lái)越成為發(fā)展趨勢(shì)。項(xiàng)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(shí)間≥5h；行程≥2km；最大速度≥3km/h；爬坡能力≥30176。因此，如果能設(shè)計(jì)出一款適合于特定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器，它能提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人復(fù)雜的控制算法，那將對(duì)推動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展非常重要。隨著移動(dòng)機(jī)器人的智能化程度越來(lái)越高，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的性能要求也就越來(lái)越高。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)。近幾年發(fā)生的幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，機(jī)器人都發(fā)揮了很大的作用。具體來(lái)講，移動(dòng)機(jī)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(yuǎn)動(dòng)物體[1]。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(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生了重大影響。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，ARM9，DSP運(yùn)動(dòng)控制器，無(wú)刷直流電機(jī)，PWM 17 ABSTRACTAbstractIn 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 目 錄摘 要 IABSTRACT II目 錄 III第一章 緒 論 1 1 課題來(lái)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(wú)刷直流電機(jī)比較 4 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 5 無(wú)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第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 軟件開(kāi)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 30 PWM產(chǎn)生模塊 32 定時(shí)器1中斷模塊 34 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 論第一章 緒 論機(jī)器人是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的重要領(lǐng)域。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)及各種中斷子程序設(shè)計(jì)。采用速度環(huán)及電流環(huán)的雙閉環(huán)控制，并且引入積分分離PID控制作為速度調(diào)節(jié)器的控制算法，對(duì)傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行了改進(jìn)。這些電路包括DSP最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)電流檢測(cè)、電機(jī)位置檢測(cè)及電機(jī)過(guò)壓欠壓保護(hù)，并對(duì)其主要電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。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。摘 要摘 要近年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，已經(jīng)被用于人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，而應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人完成偵查、排爆及消防等危險(xiǎn)任務(wù)已經(jīng)成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。隨著移動(dòng)機(jī)器人的智能化程度越來(lái)越高，對(duì)機(jī)器人控制器的要求也在不斷提高，這就要求控制器具有良好的實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)能力。采用ARM9作為運(yùn)動(dòng)控制器的主控芯片，DSP作為分布式控制芯片，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了DSP控制器的硬件電路。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。在設(shè)計(jì)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(jì)。中斷子程序又包括電機(jī)換相及速度計(jì)算子程序、PWM輸出子程序、速度控制子程序、CAN總線通信子程序等。它集精密儀器、光學(xué)、電子遙感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)之大成，形成了一門(mén)綜合的新技術(shù)。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。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，各種恐怖事件不斷發(fā)生，迫切需要具有自主運(yùn)動(dòng)能力的移動(dòng)機(jī)器人的出現(xiàn)，運(yùn)用移動(dòng)機(jī)器人完