基于DSP和電壓反饋的機器人多軸運動控制器設計

?? 引言

??? 對于機器人控制技術，實時性和穩定性是研究的重點。現階段，機器人控制的主要方法是在離線狀態下對步態進行規劃，并在主控機上對機器人的運動進行實時的補償，這種處理方法對處理器的運算速度和處理能力提出了很高的要求。傳統的機器人控制器大多以80C196系列單片機作為處理器，當采用12MHz晶振時，其狀態周期為167ns，機器周期為1ms，不能滿足機器人控制的需要。

?? DSP芯片處理速度可以達到幾納秒，甚至更高，非常適合于機器人控制。因此，本文選用DSP來代替原有的單片機，同時借助底層電壓反饋技術，設計出一種分布式機器人多軸運動控制器。

??? 控制系統結構與功能

?? 本機器人控制系統結構是一個典型的“PC+運動控制器”模式，其中，主控計算機要求體積小、運算速度快，通常采用嵌入式工控機。主要負責整個系統的在線運動規劃、動作級運動控制、語音交互控制、視覺導引控制以及人機交互等功能。底層控制單元以控制器為核心，采用電壓反饋的方式對各運動軸系進行控制，具體結構如圖1所示?？刂破骱椭骺赜嬎銠C通過CAN總線相連。這種通信方式降低了連線的復雜程度，提高了通信的速度，增強了系統的穩定性。此外，由于只用兩根線進行通信，結構也十分靈活。

???? 控制器是整個控制系統的核心，通過接收主控計算機的控制命令對各關節執行軸系進行控制，同時把底層信息反饋給主控計算機，實現大回路反饋，以便于主控計算機協調規劃，統一管理。控制器的控制性能直接關系到機器人的運動能力，本文專門設計了基于DSP和電壓反饋的多軸運動控制器。

??? 控制器設計

?? 機器人的各種運動由各個關節軸系完成，每個軸系具有一個自由度，可以完成某一方向的轉動任務，所有軸系同時協調工作就可以完成相對復雜的運動。本文研究的所有軸系均由PWM脈沖信號驅動控制。

??? 本多軸運動控制器結構如圖2所示。整個控制器以DSP為核心，分為四大部分： DSP主處理器模塊主要完成信息處理和各種控制功能；A/D轉換模塊為主處理器提供運動軸系的位置信息；外圍電路完成電壓監控、參數存儲、電路譯碼、光電隔離等功能；通信模塊負責與主控計算機進行信息交互。
DSP主處理器模塊

??? DSP主處理器是整個控制器的核心，負責各種信息的處理，同時與主控計算機進行通信，其運算速度、對信息的處理能力等方面直接影響控制器的性能。本文選用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，該產品集實時處理能力和控制器外設于一身，非常適用于工業控制。

??? 在本文設計的控制器中，TMS320LF2407A 工作電壓為3.3V、系統時鐘為40MHz，數據總線與A/D轉換模塊相連，接收A/D轉換結果；地址總線和控制總線與外圍電路中的譯碼部分相連，完成各種譯碼和控制功能；PWM輸出端口為運動軸系提供控制信號；通信接口與通信模塊相連，負責與主控計算機交互信息；中斷接口與譯碼電路相連，接受A/D轉換結束信號觸發的外部中斷；復位接口連接外部看門狗電路，當外部電壓超出規定的范圍時復位主處理器；串行接口連接外部存儲器，從外部存儲器中讀取控制算法所需的參數。

??? A/D轉換模塊

??? 外部電壓傳感器把運動軸系的位置信息轉換成電壓信號，A/D轉換模塊通過對此電壓信號進行A/D轉換，為主處理器提供能夠識別的數字信號。本文設計的A/D轉換電路如圖3所示。ADG508A為8選1多路選擇器，對輸入的多路電壓進行選擇，選出一路電壓送轉換器。AD622為電壓放大器，同時具有濾波功能，可以把輸入的-5V~+5V電壓放大到-12V~+12V，以提高A/D轉換的精度。AD976為16位A/D轉換器，把放大后的電壓轉換成+5V數字信號。74LVTH245為8位電平轉換器，把+5V數字信號轉換成主處理器能夠接受的+3.3V數字信號送TMS320LF2407A，使用時需兩塊并聯組成一個16位的電平轉換器。

??? 外圍電路模塊

??? 外圍電路模塊主要負責控制器的電壓監控、參數存儲、電路譯碼、光電隔離等功能。其中，電壓監控任務由外部看門狗電路完成，本文選用的是DS1834A芯片。此芯片可同時對電路板上+5V和+3.3V電壓進行監控，電壓安全范圍可進行調節，還具有手動復位功能。如果電壓超出安全范圍，則在相應引腳產生低電平復位信號，直到電壓恢復正常后再經過350ms，復位引腳才恢復高電平。若手動復位則兩個復位引腳同時產生復位信號。

??? DSP主處理器執行控制算法所需要的參數存放在外部存儲器X25650中，DSP通過串行外設接口(SPI口)模塊與X25650相連，從中讀取需要的參數數據。

??? 電路譯碼功能由一塊CPLD實現，主要功能包括為ADG508A提供端口選擇信號、為AD976提供轉換開始信號、為74LVTH245提供輸出使能信號、接收AD976轉換結束信號并為DSP提供A/D轉換結束中斷信號、接收DS1834A的復位信號并為DSP提供復位脈沖信號等。

??? 光電隔離器件選用高速光耦6N137，主要是為控制器與外部環境提供隔離，包括PWM脈沖控制信號的隔離和CAN總線通信的隔離。

??? 通信模塊

??? 通信模塊主要是與主控計算機進行通信，接收主控計算機的命令并為主控計算機提供必要的數據。由于TMS320LF2407A內部帶有CAN總線通信模塊，所以只需外接一塊CAN收發器就可以與外界進行通信。收發器選用的是SN65HVD230芯片，此芯片與傳統CAN收發器PCA82C250兼容，且支持3.3V電壓，可直接與TMS320 LF2407A連接。為提高通信質量，中間需用光耦進行隔離。

??? 控制流程與分析

??? 此控制器可同時為8路軸系提供控制功能，其工作流程如圖4所示，圖中虛線所包圍部分的功能由控制器完成。

??? 具體工作過程為：系統開始運行并完成初始化工作；電壓傳感器把執行軸系的位置信息轉換成電壓信號；DSP主處理器向ADG508A發送選擇信號，選通一路電壓信號經放大器AD622放大后送AD976進行A/D轉換。選擇哪一路電壓由主處理器地址線經譯碼后對ADG508A的端口選擇位進行控制，通常是八路輪流選擇。AD976的轉換起始也由主處理器控制，轉換結束時發出結束信號，經譯碼后提供給主處理器產生外部中斷，主處理器在中斷子程序中通過啟動電平轉換電路讀取轉換后的數據。AD976的最高轉換速率為100KSPS，此速率下，8路同時轉換，每一路的轉換速率為12.5KSPS，完全可以滿足控制的需要。

結語

?? 本文設計的控制器，采用先選路、再放大、最后轉換的方式為DSP主處理器提供需要的位置信息。整個控制器結構簡單靈活，工作穩定可靠，非常適用于機器人控制，經實踐證明，此方法是行之有效的。此控制器最多可同時控制8路軸系，可根據實際情況進行選擇，單路轉換速率最高達100KSPS。同時，本設計還可以方便地移植到其它類似的控制機構中去，以對各種PWM脈沖驅動的軸系進行控制，是一種多功能通用型控制器。