基于DSP的雙足機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計
現(xiàn)代電子技術(shù) 曲凌
摘要： 近年來，仿人機器人一直是自動控制領(lǐng)域研究的熱點。在模仿人類進(jìn)行邁步行走時，由于仿人機器人的重心經(jīng)常要處于中心線以外的區(qū)域，使得它的身體很難保持站姿平衡，能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)雙足行走是仿人機器人研究的重點也是難點。人類需要大腦和肢體的相互配合來協(xié)調(diào)動作，機器人需要的則是運動控制器和驅(qū)動裝置的強大支持，尤其是運動控制器，需要有高效率的芯片為基礎(chǔ)，才能最迅速地采集數(shù)據(jù)、完成計算和發(fā)送指令。在本次設(shè)計中機器人關(guān)節(jié)使用的是大功率三相無刷直流電機，控制器采用TMS320F2812芯片，它是TI公司推出的一款針對控制領(lǐng)域做優(yōu)化配置的數(shù)字信號處理器，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機高速度和高精度控制提供了良好的平臺。
Abstract：
Key words :
近年來，仿人機器人一直是自動控制領(lǐng)域研究的熱點。在模仿人類進(jìn)行邁步行走時，由于仿人機器人的重心經(jīng)常要處于中心線以外的區(qū)域，使得它的身體很難保持站姿平衡，能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)雙足行走是仿人機器人研究的重點也是難點。人類需要大腦和肢體的相互配合來協(xié)調(diào)動作，機器人需要的則是運動控制器和驅(qū)動裝置的強大支持，尤其是運動控制器，需要有高效率的芯片為基礎(chǔ)，才能最迅速地采集數(shù)據(jù)、完成計算和發(fā)送指令。在本次設(shè)計中機器人關(guān)節(jié)使用的是大功率三相無刷直流電機，控制器采用TMS320F2812芯片，它是TI公司推出的一款針對控制領(lǐng)域做優(yōu)化配置的數(shù)字信號處理器，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機高速度和高精度控制提供了良好的平臺。
1 系統(tǒng)概述
雙足機器人每條腿設(shè)有5個自由度，這樣既可以實現(xiàn)基本的步行功能，又盡可能的簡化了控制變量，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，L1～L5分別對應(yīng)左腿髖側(cè)向、髖前向、膝前向、踝前向、踝側(cè)向關(guān)節(jié)電機，R1～R5對應(yīng)右腿?？紤]到成本因素和驅(qū)動性能，選用Maxon的EC-max系列三相無刷直流電機來驅(qū)動關(guān)節(jié)活動，其中1號和5號電機選用EC-max35型，其他均為EC-max30型。受安裝空間所限，每條腿的運動控制器都為獨立的個體，各運動控制器通過主控計算機進(jìn)行協(xié)調(diào)控制并可基于運動指令單獨完成動作，類似于人類反射弧的原理，減輕主控計算機的工作量，加快反應(yīng)速度，主控計算機和運動控制器之間通過CAN總線來傳遞數(shù)據(jù)。
機器人雙足步行時，主控計算機根據(jù)運動周期向底層運動控制器發(fā)送運行和停止等指令，完成對行走狀態(tài)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)運算。單個運動控制器由DSP處理和電機控制兩部分組成：DSP處理電路負(fù)責(zé)與主控計算機和傳感器之間交換各類信息、分析接收到的數(shù)據(jù)并運算輸出相應(yīng)關(guān)節(jié)電機的控制信號；電機控制電路根據(jù)控制信號驅(qū)動相應(yīng)的電機動作，達(dá)到要求的速度和角度，并對光電編碼器信號進(jìn)行處理，將執(zhí)行結(jié)果反饋給DSP形成閉環(huán)控制，保證執(zhí)行的精度。
數(shù)據(jù)處理器選用的是TMS320F2812，它擁有基于C／C++高效32位DSP內(nèi)核，提高了運算的精度；時鐘頻率高達(dá)150 MHz，增強了系統(tǒng)的處理能力；集成了128 KB的FLASH存儲器、4 KB的引導(dǎo)ROM、數(shù)學(xué)運算表以及2 KB的OTP ROM，改善了芯片應(yīng)用的靈活性；兩個事件管理器模塊為電機及功率變換控制提供了良好的控制功能；16通道高性能12位ADC單元提供了兩個采樣保持電路，可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣，適合整個運動控制器的開發(fā)需求，其代碼和指令與F24x系列完全兼容，更是保證了項目開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計的可延續(xù)性。
2 電機調(diào)速原理
系統(tǒng)用PWM波形給出無刷直流電機的轉(zhuǎn)速信息，即利用電路一周期內(nèi)的占空比變化，達(dá)到平均電壓值的改變，以對應(yīng)電機不同的速度值。
在TMS320F2812中可以通過配置定時周期寄存器的周期值和比較單元的比較值來產(chǎn)生PWM，周期值用于產(chǎn)生PWM波的頻率，比較值用于產(chǎn)生PWM波的脈寬，改變比較值可以改變PWM波的占空比，改變周期值可以改變PWM波的頻率。以事件管理器A為例，單路PWM信號的產(chǎn)生過程如下：
定時器1作為產(chǎn)生PWM信號的時基，通過控制寄存器T1CON和周期寄存器TlPR設(shè)置時鐘周期，通過寄存器COMCONA設(shè)置比較單元的各個參數(shù)，產(chǎn)生出三角波信號，在寄存器CMPRl和ACTRA中分別設(shè)置比較值和比較輸出方式，設(shè)定的比較值實時與三角波信號比較，得到相應(yīng)占空比的PWM信號。將定時器計數(shù)器T1CNT設(shè)置為連續(xù)增計數(shù)方式時，產(chǎn)生非對稱PWM波形，設(shè)定為連續(xù)增減計數(shù)方式時，可以得到對稱的PWM波形。
圖2所示是對稱PWM波形產(chǎn)生的原理：若PWM輸出為高電平有效，則當(dāng)三角波的當(dāng)前值小于比較值時輸出為低電平，當(dāng)三角波的當(dāng)前值大于比較值時輸出為高電平；低電平有效時，則反之。
如果在寄存器DBTCONx中設(shè)置了死區(qū)時間值，則相應(yīng)事件管理器所有PWM輸出通道使用同一個死區(qū)值。由于加入了死區(qū)，PWM波高電平脈沖的寬度減少了一個死區(qū)時間，但是周期沒有變化，所以高有效和低有效的PWM波形的占空比可分別用式(1)和(2)來計算。
通過調(diào)節(jié)占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓，用這種無級連續(xù)調(diào)節(jié)的輸出電壓可以給出速度信息，因此可以通過調(diào)整PWM信號有效電平的寬度達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。
3 硬件設(shè)計
整個硬件電路包括DSP芯片TMS320F2812、電源、JTAG仿真接口、通訊、RAM、PWM、A／D、I／O擴展、備用端口、電機驅(qū)動和光電信號處理等模塊，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
雙足機器人總電源采用24 V直流電源，為了滿足DSP及外圍電路的需要，需將電源轉(zhuǎn)換成5 V，3．3 V和1．8 V。首先使用DC-DC變換器將24 V轉(zhuǎn)換成5 V，再選用TPS767D318電源轉(zhuǎn)換芯片將5 V轉(zhuǎn)換成1．8 V和3．3 V。該芯片專門針對DSP設(shè)備提供穩(wěn)壓電源，為雙電源輸出，每路電源的最大輸出電流為1 A，此外該芯片的電壓漂移非常低，在最大輸出電流為1 A的情況下為350 mV，每路輸出還有過熱保護(hù)、復(fù)位和監(jiān)控輸出電壓等功能，能滿足系統(tǒng)對電源性能的要求。
系統(tǒng)特別留有JTAG接口電路，使控制器可以通過TDS510仿真器連接到計算機，其仿真信號采用JTAG標(biāo)準(zhǔn)IEEEll49．1，使用雙列14腳的插座，并將DSP上的EMU0和EMU1上拉連接至Vcc。
TMS320F2812自身集成CAN總線的控制模塊，所以在外圍電路中加入CAN總線收發(fā)器SN65HVD251D即可實現(xiàn)DSP與CAN總線的通信功能。為了確保在CAN總線傳輸信號的完整性，設(shè)計時在CAN總線的兩根傳輸線之間加上150 Ω的電阻進(jìn)行阻抗匹配，可以提高CAN總線傳輸信號的精度。
利用XINTF的區(qū)域O和區(qū)域1擴展一塊存儲容量為(64K×16)b的RAM存儲器IS61LV6416-10T。其數(shù)據(jù)存取時間為10 ns，能滿足高速運行的需要，工作電壓為3．3 V，與DSP工作電壓一致，無需電平轉(zhuǎn)換電路。
此外，DSP控制系統(tǒng)中的I／0端口電壓絕大部分為3．3 V，而外部信號一般為5 V，因此需要將外部5 V信號轉(zhuǎn)換為符合DSP芯片要求的3．3 V信號，系統(tǒng)使用總線驅(qū)動器74LVX4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
電機驅(qū)動電路采用全橋驅(qū)動三相無刷直流電機的控制方式，由于要獨立控制5個電機，系統(tǒng)需按照前面的原理由DSP事件管理器生成PWM，并用其波形占空比給出轉(zhuǎn)速信息，該信息結(jié)合轉(zhuǎn)向、制動等信號通過控制電路轉(zhuǎn)換后進(jìn)行電機的調(diào)速，這里使用三相無刷直流電機控制器MC33035。驅(qū)動電機時，MC33035的輸出信號施加到三相橋功率電路MPM3003上，決定功率開關(guān)器件開關(guān)頻度及換流器換相時機，使其產(chǎn)生出供電機正常運行所需的三相方波，根據(jù)速度電壓MC33035可改變底部半橋輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給繞組的平均電壓，從而控制轉(zhuǎn)速。
4 軟件設(shè)計
運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵是接收到主控計算機傳來的運動控制指令后，電機是否能夠達(dá)到要求的速度和角度，考慮到整個系統(tǒng)運行過程中不可避免的誤差，特別引入補償算法，實現(xiàn)速度和位置雙閉環(huán)PID控制，其具體的控制流程如圖4所示。
主控計算機根據(jù)步態(tài)規(guī)劃的數(shù)據(jù)，發(fā)出運動指令，生成下一個運動周期各個電機的轉(zhuǎn)動方向和角度等控制參數(shù)，運動控制器接收到新的數(shù)據(jù)之后，PWM控制根據(jù)數(shù)據(jù)計算出占空比信息并生成相應(yīng)的PWM波，進(jìn)而控制電機轉(zhuǎn)動，隨后將電機光電編碼器傳送回的信號轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)位置和速度等信息，補償控制針對速度和位置誤差采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，計算需要的執(zhí)行量，調(diào)整PWM波形，在每一個運動周期內(nèi)使電機達(dá)到指定的速度，并使運動中的關(guān)節(jié)電機能夠克服機器人重力和外力的影響，保持在設(shè)定的角度。圖5是CCS仿真調(diào)試時，程序運行后在指定的擺動角度下監(jiān)控到的單關(guān)節(jié)電機速度跟蹤曲線，其響應(yīng)時間和穩(wěn)定性基本滿足雙足步行的要求。
5 結(jié)語
介紹了一種基于DSP的無刷直流電機運動控制系統(tǒng)，在控制方案的具體實現(xiàn)過程中，根據(jù)機器人腿部系統(tǒng)的自身特點，將控制器圍繞DSP處理和電機控制電路來分別設(shè)計，這樣既方便設(shè)計和調(diào)試，又增強了系統(tǒng)的靈活性和擴展性。電機驅(qū)動采用速度和位置雙閉環(huán)控制，保證運轉(zhuǎn)精度。經(jīng)測試，系統(tǒng)基本滿足運動控制的要求，為雙足步行規(guī)劃提供了試驗平臺。
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