基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器的5R工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許澤林

摘 要：機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)和操作的重要部件是由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)操控的，是通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制方式來(lái)控制運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的。電動(dòng)機(jī)主要工作的核心是芯片，這個(gè)芯片就是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），它是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制中的控制系統(tǒng)的核心芯片，其具有很多優(yōu)點(diǎn)，如控制的精準(zhǔn)度高、可重復(fù)、穩(wěn)定、可靠性好，能夠滿足機(jī)器人的復(fù)雜控制要求。被廣泛應(yīng)用，其作用有很多，不僅可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)，進(jìn)一步反饋機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制。本篇文章基于DSP運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以其控制芯片為基礎(chǔ)描述了三大模塊應(yīng)用，主要內(nèi)容包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為讀者在設(shè)計(jì)方案上提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：DSP；運(yùn)動(dòng)控制；5R機(jī)器人；

一、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的三大模塊

（一）核心處理模塊 核心處理模塊DSP在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上有很多功能，包括完成任務(wù)調(diào)度、軌跡插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)控等。在調(diào)試機(jī)器人的時(shí)候，我們一般采用的是美國(guó)TI公司的 TMS320F2812處理器，可以通過(guò)它在運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄位置、速度、加速度信息，不僅如此，還可以執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，通常會(huì)采用CY7CL041來(lái)擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間，解決程序空間和數(shù)據(jù)空間較小的問(wèn)題，并將其映射到DSP外部存儲(chǔ)區(qū)域中。現(xiàn)在系統(tǒng)使用的是CPLD，是由Altera公司推出的 EMP240T100，主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：①地址譯碼，根據(jù)DSP的地址信號(hào)，內(nèi)部專門(mén)設(shè)計(jì)進(jìn)行地址譯碼電路，產(chǎn)生相應(yīng)的片選信號(hào)，選通SDRAM、DA、以及雙端口RAM；②外部中斷邏輯判斷，意思就是對(duì)伺服電機(jī)的伺服報(bào)警信號(hào)和同零信號(hào)以及雙端口RAM的BUSY信號(hào)檢測(cè)、判斷，產(chǎn)生時(shí)向DSP申請(qǐng)中斷；③作為DSP外擴(kuò)I/O，CPLD還起到電平轉(zhuǎn)換的作用。

（二）通信模塊 通信模塊主要的功能就是完成上位機(jī)數(shù)據(jù)交換、任務(wù)傳輸、狀態(tài)通告等。為了滿足通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高的需求，多數(shù)采用PCI總線的通訊方式。PCI總線的控制芯片是采用PLX公司的 PCI9052。同時(shí)在DSP和PCI控制芯片之間加入了雙端口RAM為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，還可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩存區(qū)。

（三）外設(shè)模塊 外設(shè)模塊包括DA模塊、PWM模塊，DA模塊和PWM模塊輸出伺服電機(jī)的控制電壓或脈沖，還包括電平轉(zhuǎn)換、光電隔離模塊以及通用10模塊等。模塊之間有不同的任務(wù)，其中DA模塊和PWM模塊是用于完成伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度或位置0的調(diào)整，電平轉(zhuǎn)換和光電隔離模塊主要的任務(wù)是轉(zhuǎn)換不同電壓信號(hào)和提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通用10模塊主要是對(duì)電機(jī)狀態(tài)模式進(jìn)行控制和檢測(cè)。

二、基于DSP運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

（一）機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)仿人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由幾個(gè)子系統(tǒng)組成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，子系統(tǒng)包括：通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及規(guī)劃決策系統(tǒng)，通過(guò)他們協(xié)調(diào)、合作共同完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操作。機(jī)器人要想正常運(yùn)行，必須經(jīng)過(guò)一系列的指控環(huán)節(jié)，首先由視覺(jué)傳感系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境的信息進(jìn)行掃描，信息采集過(guò)后需要分析，這一步由通信系統(tǒng)傳遞到規(guī)劃決策系統(tǒng)進(jìn)行整理，處理完畢開(kāi)始發(fā)出對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的指令，控制指令再次經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)傳遞到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人各控制部分的控制。

（二）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)前提條件是控制器的選擇，選擇合適的控制器對(duì)機(jī)器人控制是很必要的，好的控制器具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和穩(wěn)定性，對(duì)它的選擇需要滿足快速的接受高級(jí)的控制指令，并對(duì)發(fā)出的指令進(jìn)行分析，再對(duì)分析結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。另外，對(duì)電機(jī)也需要選擇，電機(jī)是機(jī)器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它的選擇由機(jī)器人的功能需求和操作要求所決定。步進(jìn)電機(jī)具有維護(hù)方便，通信簡(jiǎn)單，直接接受數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，作為現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的電機(jī)類型，但是在運(yùn)行的過(guò)程中，它負(fù)載過(guò)大會(huì)造成電機(jī)的失步或者停止，因此需要選擇扭矩大的步進(jìn)電機(jī)。

（三）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路具有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、信號(hào)隔離電路和串行接口電路這幾部分。下面我們對(duì)這些一一進(jìn)行講解：

1.數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 DSP控制器在運(yùn)行過(guò)程中需要的是數(shù)字信號(hào)，而傳感系統(tǒng)采集的信號(hào)以及從外部輸入的信號(hào)是模擬信號(hào)，因此就需要設(shè)置一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路來(lái)完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.時(shí)鐘電路

本系統(tǒng)選用的DSP控制器，在XTAL1/CLKIN和XTAL2之間并聯(lián)一個(gè)晶體，晶體在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部形成晶振電路，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件接口不同就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生訪問(wèn)速度快慢差別，如果不控制在同時(shí)序，很可能會(huì)造成程序和運(yùn)動(dòng)控制的混亂，為調(diào)整時(shí)序需要在外界設(shè)置插入等待狀態(tài)發(fā)生器。

3.復(fù)位電路

復(fù)位電路作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要硬件組成部分，其在程序運(yùn)行的初始階段對(duì)寄存器和輸入輸出端口進(jìn)行復(fù)位，維持保證程序的正常運(yùn)行。

4.信號(hào)隔離電路

由于步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中可以產(chǎn)生感性負(fù)載，且它的工作電壓高于DSP系統(tǒng)電壓，因此需要設(shè)置隔離電路，作用是將DSP控制器與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路隔離，隔離采用的工具是光電耦合器，它對(duì)隔離信號(hào)有很強(qiáng)的作用，進(jìn)而使信號(hào)之間互相干擾的可能性降低。

5.串行接口電路

串行接口電路作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信的主要通道，是在控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間進(jìn)行的，串行通信接口可以獨(dú)立中斷接受和發(fā)送信號(hào)，完成獨(dú)立工作，維持CPU和使用標(biāo)準(zhǔn)格式的設(shè)備之間的通信。

結(jié)語(yǔ)：

隨著科技發(fā)展，機(jī)器人的生產(chǎn)越來(lái)越廣泛，工業(yè)生產(chǎn)伴隨著科學(xué)技術(shù)的步伐向前邁進(jìn)，進(jìn)一步推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度，提高人類生活的智能化。機(jī)器人在工農(nóng)業(yè)、人類生活等多方面已經(jīng)被廣泛的利用。機(jī)器人技術(shù)包含了自動(dòng)控制技術(shù)、微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與信息處理技術(shù)、人工智能技術(shù)與仿生學(xué)等多門(mén)學(xué)科，機(jī)器人的研究成果是一個(gè)綜合性強(qiáng)的技術(shù)高含量的學(xué)科。機(jī)器人的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程，改變?nèi)祟惖纳罘绞剑梢源嫒祟愖鲆恍┦虑?，?shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的智能化、機(jī)械化和自動(dòng)化，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

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