基于PIC芯片嵌入式電機(jī)控制器的研究

1 控制器的軟件構(gòu)造
該控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于位置、速度、電流三種控制方式可隨時(shí)變更。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速。在每一個(gè)控制周期，三種控制模式獨(dú)立計(jì)算，控制器將計(jì)算結(jié)果以PWM信號(hào)形式輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)電機(jī)的位置、速度和電流能實(shí)時(shí)測(cè)量并送到主控微機(jī)，從而機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)能根據(jù)不同的外部環(huán)境采取不同的控制方式。該控制器的控制原理如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在控制器軟件的開發(fā)上，采用了模塊化和子程序嵌套的設(shè)計(jì)思想?？刂破鞯挠?jì)算周期T為400μs，每一個(gè)周期劃分成32個(gè)處理模塊，利用中斷處理在每一個(gè)處理模塊(t=12．5μs)中對(duì)電機(jī)位置譯碼的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。控制器軟件構(gòu)造及主要模塊的功能如圖2所示。

2 操作指令
該控制器的操作指令包括控制指令、設(shè)定指令、詢問指令等。指令格式的最高字節(jié)為命令字節(jié)，即控制器的ID號(hào)和Code(指令號(hào))。ID指出控制器的識(shí)別號(hào)碼，Code指出指令代碼，它們各占4位。
需要注意的是，對(duì)于控制和設(shè)定指令，緊隨命令字節(jié)的是n個(gè)字節(jié)組成的控制或設(shè)定指令數(shù)據(jù)，但詢問指令僅有命令字節(jié)，沒有指令數(shù)據(jù)。
2．1 控制指令
伺服控制系統(tǒng)的三種控制模式均有相應(yīng)的控制指令。
位置控制應(yīng)用于進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)控制的插補(bǔ)點(diǎn)位置控制。位置控制數(shù)據(jù)由三個(gè)字節(jié)的有符號(hào)數(shù)來(lái)表示，其最大值和最小值分別為223-1(=7FFFFFH)和-223+1(=800000H)。其中，0H～7FFFFF為電機(jī)的正方向，800000H～FFFFFFH為電機(jī)的負(fù)方向。位置控制指令的格式如圖3所示。

速度控制應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)以一定速度運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。速度控制數(shù)據(jù)由一個(gè)字節(jié)的有符號(hào)數(shù)來(lái)表示，其最大值和最小值分別為27-1(=7F)和-27+1(=80)。
其中，0H～7F為電機(jī)的正方向，80H～FFH為電機(jī)的負(fù)方向。在速度控制模式下，需要停止指令、目標(biāo)值為零的速度或電流控制指令或到達(dá)極限位置時(shí)，系統(tǒng)才能停止運(yùn)行。
電流控制(轉(zhuǎn)矩控制)不僅可以應(yīng)用于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流的控制方向相同的場(chǎng)合，還可以應(yīng)用在外力作用下，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)或電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流的控制方向相反的場(chǎng)合。電流控制指令的格式和數(shù)據(jù)字節(jié)的最大最小值與速度控制指令相同。在電流控制模式下，停止方式也和速度控制模式相同。
位置速度復(fù)合控制應(yīng)用于一般位置控制，包括啟動(dòng)階段的加速控制、速度控制、到達(dá)目標(biāo)前的減速控制和位置控制四個(gè)部分。位置速度復(fù)合控制指令的控制數(shù)據(jù)包括3個(gè)字節(jié)的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，1個(gè)字節(jié)的目標(biāo)速度數(shù)據(jù)，1個(gè)字節(jié)的最大電流數(shù)據(jù)，共5個(gè)字節(jié)。各數(shù)據(jù)的最大最小值分別對(duì)應(yīng)同上。
2．2 設(shè)定指令
控制增益設(shè)定指令用于設(shè)定位置、速度和電流控制的比例和積分常數(shù)。其指令格式如圖4所示。

運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)定指令用于設(shè)定機(jī)器人關(guān)節(jié)的極限位置，其指令格式如圖5所示。其中動(dòng)作端A和動(dòng)作端B分別表示正方向的最大和最小位置。

系統(tǒng)設(shè)定主要用于根據(jù)控制系統(tǒng)的需要設(shè)定各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)。設(shè)定數(shù)據(jù)由一個(gè)字節(jié)的無(wú)符號(hào)數(shù)來(lái)表示。
2．3 詢問指令
詢問指令的主要功能是查詢各電機(jī)的位置、速度和電流數(shù)據(jù)，并且發(fā)信側(cè)只有接收到受信側(cè)返回的數(shù)據(jù)后才能發(fā)送下一個(gè)詢問指令，即詢問指令通過(guò)一問一答的形式進(jìn)行通信。詢問指令僅由命令字節(jié)組成。
位置詢問指令的返信數(shù)據(jù)格式同圖3。
速度和電流詢問指令的返信數(shù)據(jù)均只有一個(gè)命令字節(jié)和一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。其返信數(shù)據(jù)的格式如圖6所示。

3 通 信
3．1 控制系統(tǒng)連接方式
由于該控制器的通信接口為RS 485，PC機(jī)一般只有常用的RS 232串行通信口，主控微機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換器將標(biāo)準(zhǔn)的RS 232C轉(zhuǎn)換為RS 485后與控制器連接。一個(gè)串口可接16個(gè)控制器。控制器包括串聯(lián)通信接口，電機(jī)位置傳感器脈沖接收接口，電機(jī)電流檢測(cè)A／D轉(zhuǎn)換接口，PWM控制輸出接口和其他I／O接口。主控微機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的連接如圖7所示。

當(dāng)主控微機(jī)對(duì)控制器進(jìn)行控制時(shí)，所有的控制器均接收指令。每個(gè)控制器對(duì)接收的指令首先要進(jìn)行ID校驗(yàn)，如果接收的數(shù)據(jù)ID與本身的ID號(hào)一致，則執(zhí)行該指令，否則忽略該指令，如圖8所示。

3．2 通信時(shí)間
主控微機(jī)和控制器之間的通信速率為38 400 b／s。在每一個(gè)控制周期，設(shè)計(jì)了兩次接收和送信程序，即控制器在一個(gè)控制周期最多可同時(shí)接收和送出兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。需要注意的是，主控微機(jī)和控制器之間采用的是10位為一幀的異步串行通信方式，因此每個(gè)字節(jié)的通信時(shí)間還應(yīng)包括幀的起始位和停止位的傳輸時(shí)間。若傳輸兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則通信時(shí)間為[2×(8+2)×1 000]／38 400=0．521 ms，依此類推，即可計(jì)算出各指令的通信時(shí)間。主要指令及其通信時(shí)間如表1所示。