基于DSP仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器設(shè)計
摘要： 該設(shè)計選用TI公司的2000系列DSP TMS320F240作為控制單元。其時鐘頻率可達(dá)20 MHz，具有高速的處理能力，片內(nèi)資源豐富，特別是它特有的內(nèi)置事件管理器模塊，使其在電機(jī)控制領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。該芯片本身尺寸很小，需要外擴(kuò)的資源不多，節(jié)省了電路板的空間。關(guān)節(jié)控制器硬件電路原理圖框圖如圖2所示。
Abstract：
Key words :
仿人title="機(jī)器人">機(jī)器人具有可移動性，具有很多的自由度，包括雙臂、頸部、腰部、雙腿等，可以完成更復(fù)雜的任務(wù)，這些關(guān)節(jié)要連接在一起，進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制，就對控制系統(tǒng)的可靠性、實時性提出了更高的要求，以往采用的集中控制系統(tǒng)，控制功能高度集中。局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此考慮采用分布式的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。
考慮到機(jī)械臂控制系統(tǒng)控制算法的計算量以及多軸協(xié)調(diào)控制等問題，采用基于RS 485總線的分布式控制的體系結(jié)構(gòu)，見圖1所示。運動規(guī)劃算法由主計算機(jī)來實現(xiàn)，同時主計算機(jī)還將通過RS 485總線與各關(guān)節(jié)控制器通信，負(fù)責(zé)各關(guān)節(jié)控制器的協(xié)調(diào)工作。每個關(guān)節(jié)控制器和一臺電機(jī)、驅(qū)動器、檢測反饋裝置等構(gòu)成一個位置伺服系統(tǒng)，負(fù)責(zé)機(jī)械臂某一個關(guān)節(jié)變量的具體控制任務(wù)。
1 仿人機(jī)器人分布式控制器的硬件設(shè)計
1．1 關(guān)節(jié)控制器硬件電路設(shè)計
該設(shè)計選用TI公司的2000系列DSPTMS320F240作為控制單元。其時鐘頻率可達(dá)20 MHz，具有高速的處理能力，片內(nèi)資源豐富，特別是它特有的內(nèi)置事件管理器模塊，使其在電機(jī)控制領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。該芯片本身尺寸很小，需要外擴(kuò)的資源不多，節(jié)省了電路板的空間。關(guān)節(jié)控制器硬件電路原理圖框圖如圖2所示。
1．2 電機(jī)驅(qū)動器的接口電路
驅(qū)動器的控制模式可以分為兩種：速度控制模式和位置控制模式(通常用電位器作為電機(jī)的位置傳感器)。這里采用它的速度控制模式，輸入的指令信號是0～10 V的模擬量。因此需要用D／A轉(zhuǎn)換電路，把DSP輸出的數(shù)字量給定轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，電路圖如圖3所示。DAC7621為12 b并行輸入的D／A轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)置參考源，輸出范圍：0～4．095 V。它的12位輸入接DSP數(shù)據(jù)總線中的D0到D11。它的片選輸入管腳可以接DSP的I／O控制線／IS。為了得到0～10 V的模擬信號，還要利用LM358中的一片運算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路，把0～4．095 V的信號放大2．5倍。
如果驅(qū)動和控制器不進(jìn)行隔離，尖峰將破壞控制器電路中的器件，例如RAM。因此，設(shè)計了基于線形光耦HCNR201的隔離電路，如圖4所示。
線形光耦HCNR201只能起到隔離電流的關(guān)系，且輸入電流和輸出電流呈線性關(guān)系。U6B是圖3芯片LM358中的另外一片運算放大器，它將輸入0～10 V電壓轉(zhuǎn)換成20 mA以內(nèi)的電流信號，輸入線形光耦HC－NR201。HCNR201輸出電流再經(jīng)過一個由單電源軌到軌運放AD8519構(gòu)成的電壓跟隨器轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓信號，作為驅(qū)動器的模擬信號輸入。顯然，HCNR201兩側(cè)電路應(yīng)采用不同的電源和地。LM358中的兩片運算放大器采用控制器輸入的12 V電源供電，而AD8519則采用驅(qū)動器輸入端提供的10 V電壓供電。
1．3 增量式編碼器信號處理電路
增量式編碼器信號處理電路如圖5所示。J8是MR編碼器的信號輸入接口，采用AM26C32把MR編碼器輸出三個通道的RS 422差分信號轉(zhuǎn)換成TTL電平，得到A，B，Z三路信號。
1．4 RS 485總線通信電路
RS 485總線是一種通信總線，TMS320F240 DSP芯片本身不具備RS 485總線接口，采用兩個485通信芯片MAX485可以的把TMS320F240的串口RXD和TXD的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 485電平，TMS320F240DSP的RXD和TXD引腳分別連接到第一片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引腳。TMS320F240 DSP 的SPISIMO和SPISOMI連接到MAX485的使能引腳RE，用于控制TMS320F240 DSP芯片的數(shù)據(jù)發(fā)送口掛接到總線上或和總線分離，電路如圖6所示。
2 仿人機(jī)器人控制器的軟件設(shè)計
2．1 關(guān)節(jié)控制器主程序
主程序的流程見圖7。
寄存器初始化操作主要包括：設(shè)置CPU CLK為外部晶振的2倍頻，即16 MHz；設(shè)置串口通信波特率為：38．4 Kb／s；設(shè)置定時器／計數(shù)器相關(guān)寄存器；設(shè)置QEP電路單元相關(guān)寄存器；設(shè)置中斷控制寄存器等。
2．2 串口數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序
串口數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序流程圖見圖8。在中斷服務(wù)程序中，讀取數(shù)據(jù)接收寄存器中的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)接收區(qū)，而并不做任何進(jìn)一步分析和處理。數(shù)據(jù)接收區(qū)是內(nèi)存中暫時存放數(shù)據(jù)的區(qū)域，當(dāng)存滿一條完整指令信息后，由主程序分析和處理。
2．3 控制周期定時中斷服務(wù)服務(wù)程序
控制周期2 ms定時中斷服務(wù)程序的流程見圖9。定時器／計數(shù)器為位置環(huán)和速度環(huán)控制周期定時2 ms，每2 ms進(jìn)入定時中斷服務(wù)程序1次，讀取位置反饋值和速度反饋值，進(jìn)行積分分離PID運算，最后輸出給D／A轉(zhuǎn)換成模擬量。
每一個插補(bǔ)周期(50 ms)，主計算機(jī)向關(guān)節(jié)控制器發(fā)送1次運動規(guī)劃后的目標(biāo)位置。該目標(biāo)位置是以增量編碼器信號四倍頻后的脈沖數(shù)為單位，以前一次的目標(biāo)位置作為脈沖計數(shù)的零點。因此，關(guān)節(jié)控制器在讀取新的目標(biāo)位置后，也應(yīng)該以前一次的目標(biāo)位置作為新的增量碼盤脈沖計數(shù)零點，測量實際的電機(jī)位置，與新的目標(biāo)位置比較、運算。主計算機(jī)根據(jù)需要可以查詢當(dāng)前電機(jī)運行的實際位置，關(guān)節(jié)控制器返回的位置則是關(guān)節(jié)角的絕對位置，單位是0．1°。
3 結(jié) 語
仿人機(jī)器人機(jī)械臂分布式關(guān)節(jié)控制器研究與設(shè)計，對于提高仿人機(jī)器人總體性能與人機(jī)交互能力，具有重要科研價值與現(xiàn)實意義。機(jī)械臂分布式控制器的高度實時性、容錯性、可靠性、擴(kuò)充性，為仿人機(jī)器人系統(tǒng)提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與通信標(biāo)準(zhǔn)，實踐表明應(yīng)用前景極為廣闊。
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