- 基于DSP的雙足機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

??? 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。

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??? 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、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。

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??? 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。