1、摘 要 I 摘 要 近年来 ， 移动机器人应用范围越来越广泛 ， 已经被用于人类 生活的各个领域 ， 而应用移动机器人完成侦查、排爆及消防等危险任务已 经成为各国研究的重点。随着移动机器人的智能化程度越来越高 ， 对机器人控制器的要求也在不断提高 ， 这就要求控制器具有良好的实时性和快速响应能力。 本次 设计了一款全数字控制的小型地面移动机器人运动控制器 ， 具有控制、功率驱动及各种保护等功能。 采用 ARM9 作为 运动控制器的 主控芯片 ， DSP 作为分布式控制芯片 ， 重点设计了 DSP 控制器的硬件电路。 这些电路包括 DSP 最小系统、电机驱动、电机电流检测、电机 位置检测 及电机
2、过压欠压保护 ， 并对其主要电路进行了详细的分析。 ARM 主 控制器 与 DSP 分布式 控制器 之间利 用 CAN 总线进行通信 。 采用速度环及电流环的双闭环控制 ， 并且引入 积分分离 PID 控制作为速度调节器的控制算法 ， 对传统的 PID 控制进行了改进 。 在设计硬件电路和控制算法基础之上 ， 完成了 DSP 控制软件的设计。软件设计主要包括主程序设计 及各种中断子程序设计。中断子程序又包括电机换相及速度计算子程序、 PWM 输出子程序 、 速度控制子程序 、 CAN 总线 通信子程序 等。 关键词： 移动机器人， ARM9， DSP 运动控制器，无刷直流电机， PWMABST
3、RACT II Abstract In present, the mobile robot has been aplied more and more widely. It has been used in all human life. It has become the focus study to complete the dangerous tasks such as investigation, remove exploder and fire protection with mobile robot. With the mobile robot becoming more and
4、more intelligent, the requirment of motion controller has been improved increasingly. It requires the controller with good real-time 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
5、 and various overload protection. The ARM9 processor was used in the motion controller as main command 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
6、, position detection of motor, over-voltage and under-voltage protection. The main circuits had been analyzed detailed. The main processor ARM9 and distributed processors DSP using CAN bus communicate with each other. The motion controller had double closed loops which were speed loop and current lo
7、op. 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 completed. It included the main program and various subprograms of
8、 interrupt. The program of motor communication, speed calculation, PWM output, speed control, communication with CAN and so on were also included in the subprogram. Key words: Mobile Robot, ARM9, DSP Motion Controller, BLDCM, PWM目 录 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 第一章 绪 论 .1 1.1 课题设计的意义 .1 1
9、.2 课题来源及国内外研究现状 .1 1.3 课题设计的主要内容 .2 第二章 控制系统总体概述 .3 2.1 移动机器人运动控制系统总体结构 .3 2.2 电机的选择 .4 2.2.1 步进电机、有刷直流电机及无刷直流电机比较 .4 2.2.2 无刷直流电机结构及工作原理 .5 2.2.3 无刷直流电机的数学模型 .7 第三章 控制系统硬件电路设计 .10 3.1 控制系统电源设计 .10 3.1.1 驱动板电源设计 .10 3.1.2 DSP 供电电源专用芯片的匹配电源设计 .11 3.2 ARM9 主处理器概述及其与 CAN 总线的连接简介 .12 3.2.1 ARM9 处理器概述 .1
10、2 3.2.2 ARM9 处理器 S3C2410X 与 CAN 总线的连接 .12 3.3 DSP 分布式控制器与 DSP 最小系统设计 .13 3.3.1 TMS320F2812 DSP 芯片简介 .14 3.3.2 DSP 最小系统设计 .15 3.4 CAN 功能模块硬件设计 .20 3.5 PWM 信号隔离及驱动电路 .22 3.6 主电路设计 .23 3.7 电流检测电路设计 .25 3.8 转速及转子位置检测电路设 计 .26 目 录 IV 第四章 控制系统软件设计 .28 4.1 软件开发环境 .28 4.2 主程序设计 .28 4.3 中断服务程序设计 .30 4.3.1 中断
11、捕获模块 .30 4.3.2 PWM 产生模块 .32 4.3.3 定时器 1 中断模块 .34 4.3.4 电机保护中断模块 .37 4.4 CAN 总线接口通信程序设计 .38 总 结 .40 参考文献 .41 致 谢 .42 附 录 .43 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 课题 设计 的意义 机器人是一个正在蓬勃发展的重要领域。它集精密仪器、光学、电子遥感技术、自动控制技术、信息技术、计算机技术之大成，形成了一门综合的新技术。机器人技术 的 出现和发展，使传统工业生产的面貌发生了根本变化，对人类的社会生活产生了重大影响。 移动机器 人是 集环境感知、动态决策、行为控制
12、与执行等多功能于一体的综合系统，是机器人学的一个重要分支。具体来讲，移动机器人就 是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在一定范围内 完成特定任务的远动物体 1。 进入 21 世纪以来，各种恐怖事件不断发生，迫切需要具有自主 运动 能力的移动机器人的出现，运用移动机 器人完成侦查、排爆及消防等任务。 近几年发生的几场局部战争中，机器人都发挥了很大的作用 。 移动机器人越来越多的运用于侦查地形及可疑爆炸物、拆除 炸弹等场合。所以，研制能代替人类在危险、恶劣环境下工作的具有一定自主能力的 移动机器人成为当前国内外研究的热点。而移动机器人运动控制器则是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一
13、定动作或作业任务的装置，它是移动机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。 随着移动机器人的智能化程度越来越高，对机器人运动控制器的性能要求也就越来越高。特别是随着信息化的进程和计算机科学与技术、信息处理理论与方法等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，移动机器人对精度、数据处理速度和实时性的要求也越来越高，这就迫切需要更加强大的运动控制器的出现 2。 因此，如果能设计出一款适合于特定机器人的运动控制器，它能提 升机器人运动控制的实时性和准确性 ，同时也能实现移动机器人复杂的控制算法，那将对推动机器人的发展非常重要 。 1.2 课题来源及 国内外研究现状 本课题来源于科研，根据任务书的具体要求，结
14、合当前机器人的发展 现状 ，研究和开发出一种自主移动机器人。 项目的具体要求为：采 用 ARM9 作为主控制器， TI 公司的 TMS320F2812芯片为分布式控制器，机器人的主要技术指标为：重量 50kg； 工作时间 5h；第一章 绪 论 - 2 - 行程 2km； 最大速度 3km/h； 爬坡能力 30 ； 跨越台阶高度 15cm。 近年来，随着芯片技术的 飞 速发展，国外以 DSP 或 FPGA 作为芯片处理器的运动控制器越来越成为发展趋势。这类控制器用 DSP 取代传统的单片机，充分利用了 DSP 的高速数据处理功能、 FPGA 的超强 逻辑 处理能力，使得控制器具有高速信号处理能力
15、和高效的通讯能力，并具有高集成度及高可靠性。 在工业市场需求的推动下，大部 分 DSP 运动控制器都是针对数控机床或工业机器人，即主要 应用于步进电机，而应用 于 三 相 电机控制的 DSP 控制器普及程度还不够广。但随着对 三相电机控制技术需求的增加，国外对这方面的研究已经取得很大突破。 国内的 DSP 运动控制器起步较晚，之前一般都用单片机或 电机专用芯片来构建控制器。 直到 20 世纪 90 年代，国外各 DSP 厂家在中国建立第三方。 它们为中国的用户提供 技术支持以及售后服务，一定程度上推动了国内 DSP 应用的发展。现在，这些 DSP 厂家的第三方基本都提供了一整套从直流伺服电机到
16、交流伺服电机的 DSP 控制器，使得国内 DSP 控制器技术逐渐缩小了与国外的差距。 1.3 课题 设计 的主要内容 本 次 设计的主要内容是： 根据机器人的技术要求， 设计一个以 ARM9 作为主控制器、 DSP 作为分布式控制器的运动控制器，用于移动机器人的电机控制，满足控制的实时性和精确性要求。 设计 DSP 的控 制系统和驱动系统硬件，同时设计电机控制的软件程序，然后 将硬件 和软件结合起来，评估控制器的性能，验证 控制方案的可行性。 论文的主要章节介绍： 第一章 主要 阐述了课题研究的意义， 介绍了课题来源，分析了国内外的研究现状以及设计的主要内容。 第二章 对小型地面移动机器人控制
17、系统 进行了简要的概述 。 同时 ， 根据任务书要求，对电动机进行了选型 。 介绍了电机的结构、工作原理及控制算法，设计出了控制器的总体结构。 第三章 重点对 DSP 控制器进行了硬件上的设计，包括控制板、驱动板和电源板的设计。 第四章 主要内容是控制器的软件 设计，包括主程序设计、各种中断程序的设计以及 CAN 总线通信程序的设计。 最后，对整个设计过程进行了概述性的总结。第二章 控制系统总体概述 - 3 - 第二章 控制 系统总体概述 机器人控制系统主要需要满足以下几个条件，概括起来讲就是：系统具有较高的运算处理能力，控制性能优良；系统必须具有较高的实时性和可靠性；系统尽可能的标准化、模块
18、化，具有良好的可扩展性；系统应具有良好的抗干扰能力；控制系统总重量轻、集成度高、体积小、功耗小 3。 根据任务书的要求，机器人控制系统大体上可以分为以下几种功能模块：上位计算机模块、基于 ARM 的主 控制器 模块、基于 DSP 的分布式控制器 模块、CAN 总线通信模块、电机及电机驱动 模块等。上位机主要负责机器人的远程控制，如远程通信等。 ARM 处理器主要实现机器人的整体控制，并将机器人的信息 通过无线通信， 实时反馈给上位机。 DSP 分布式控制器控制机器人的姿态及运动情况。电机及电机驱动模块能够满足直流电机的实 时 正常运转需要，为机器人的运行提供动力。 2.1 移动机器人运动控制系
19、统 总体 结构 控制系统的整体框图如图 2-1 所示。 图 2-1 基于 DSP 小型地面移动机器人运动控制系统 结构图 以下简要介绍整个控制系统的工作过程： 运动控制器采用电流环和速度环实现电动机的双闭环控制。其外环为速度环，内环采用电流环。首先，通过霍尔位置传感器信息计算出电机运行中的实时转速，然后将实时电机转速和给定的参考值之间的偏差经积分分离 PID 调节转速 采样 信号 调理 DSP 控制器 光电 隔离 电 机 驱 动 电 路 直流电动机 电流 采样 光电 隔离 复位 电路 外 部 存储器 电 路 时钟 电路 光电 隔离 无 线 通 信 ARM9 控制器 CAN总线通信 系 统 电
20、源 电 路 滤 波 电 路 信号 调理 第二章 控制系统总体概述 - 4 - 后，输出电流参考值。其次，将电流参考值与电机实际电流进行比较，得到的偏差送入电流调节器进行 PI 调节，调节后的控制量用于改变 PWM 的占空比。最后，输出的 PWM 信号经电压逆变后输入电机，实现电机电流环和转速环的双闭环控制。 软件设计中利用 DSP 的逻辑运算功能，引入积分 分离 PID 速度控制，弥补PID 调节的不足，改善系统的控制性能，减小超调量 ，缩短速度 调整时间。这些都充分体现了 DSP 在运动控制系统中应用的优越性。 本次设计将重点放在 DSP 最小系统设计以及 DSP 分布式控制器对电机的控制、
21、 DSP 与 ARM 之间的 CAN 总线通信上。对于拥有路径规划等 功能 的 ARM主 控制器 系统设计及其与上位机 计算机 之间的无线通信只作简要述及。 2.2 电机的选择 2.2.1 步进电机、有刷直流电机及无刷直流电机比较 （ 1）步进电机能够直接实现数字控制，控制性能好，能快速启动、制动和反转，抗干扰能力强，其 运行的角位移和线位移误差不会长期积累。但启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现冲击，且一般无过载能力。因此步进电机不适合作为机器人的驱动电机。 （ 2）直流电机的转动惯性相对较小，控制特性好，响应速度快，满足机器人的灵敏性要求；且有很宽的调速范围，速度
22、快，满足机器人的快速性要求；低速平稳性好，满足稳定性要求；机械特性硬，过载能力强，可以满足机器人的越障和爬坡要求。但是由于有换向器和电刷，导致电机可靠性变差，寿命较短，这将严重影响机器人 的 实际应用。 （ 3）无刷直流电机作为一种新型的无级变 速电动机，不仅具有交流电机体积小、重量轻、惯性小等特点，而且拥有直流电动机优良的调速性能，没有机械换向器的特点 。它 结构简单，起动转矩大，启动电流小，运行平稳，噪声低，效率高，工作寿命长，非常适合机器人的运行要求 4。 无刷直流电机如果采用 PWM 控制，只需要通过软件改变 PWM 波 形 的占空比就可以实现调速，这对提高移动机器人的灵活性非常有帮助
23、。 考虑到机器人的体积和重量，带减速器的电机成为首选，这样只需要将电机输出轴和驱动轮连接起来即可。最后，选择了瑞士 MAXON 公司的直流无刷伺服电机 EC60 系列 作为机器人驱动 电机 （重量为 2.45Kg） ，所配减速器为德国艾斯勒公司的产品，减速比 70/1，运行效率为 75%。 表 2-1 为所选用的移动机器第二章 控制系统总体概述 - 5 - 人直流电机参数 。 表 2-1 移动机器人直流电机参数 额定功率 400W 堵转转矩 11000mNm 机械时间常数 4.3ms 额定电压 48V 空载电流 740mA 最大效率 86% 最大工作电流 9.3A 空载转速 5400rpm 相
24、间电阻 0.37Ohm 额定转矩 688mNm 转矩常数 85mNm/A 相间电感 0.27mH 堵转电流 139A 速度常数 113rpm/V 转子惯量 831gcm2 2.2.2 无刷直流电机结构及工作原理 MAXON 公司的 EC 系列电机属于无刷直流电动机，它主要有电 机本体，霍尔位置传感器和电子开关线路三部分组成。电 机本体主要包括定子和转子两部分。定子绕组分为 A、 B、 C 三相，每相相位相差 120，采用星形连接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接。转子由 N、 S 两极 组成，极 对数为 1。图 2-2 为三相两 极 无刷直流电机结构。 图 2-2 三相两极无
25、刷电机的结构 电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕 组通电的 顺序 和时间，主要有功率逻辑开关单元和霍尔位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元将电源功率以一定的逻辑分配关系分配给电机定子上的各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。霍尔位置 传感器 的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，进而控制逻辑开关单元的各相绕组的导通顺序和导通时间。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由霍尔位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转 子位置的变化而按一定的次
26、序换相。由于电子开关线路的导通次序与转子转角同步，因而起到了机械换向器的换向作用。 电机采用全桥驱动方式 ，下面是 电机在全桥驱动方式下的工作原理。图 2-3是无刷直流电 机三相 绕组星形连接全桥驱动电路原理图。 采用两相导通三相六第二章 控制系统总体概述 - 6 - 状态工作方式 ，每隔 1/6 周期换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管依次导通 120电角度， 功率管导通顺序为 Q1Q4Q1Q6Q3Q6Q3Q2Q5Q2Q5Q4。其中 Q1Q6 为六个功率开关管，他们组成三相桥式逆变器。采用霍尔位置传感器来检测电机的转子位置信号， 控制器根据电机的位置信息按一定顺序组合六个功率开关管的导通，这样电机的绕组也就按顺序导通，实现电机的运转。图2-4 为无刷直流电机驱动时的反电势和电流波形图，梯形波 E 为三相绕组反电动势波形，矩形波 I 为所对应绕组流过的电流波形。功率开关管导通方式如图 2-5所示。 Q 1Q 6Q 4Q 3 Q 5Q 2ABC+- 图 2-3 电机全桥驱动方式 电路图 tttIaEaI bI cI cEbEE图 2-4 无刷直流电机反电势和电流波形图 wtwtwtwtwtwtT1T2T3T4T5T61-41-63-63-25-25-4图 2-5 三相六状态 120导通方式
