基于PIC芯片嵌入式電機(jī)控制器的研究與設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，服務(wù)機(jī)器人與人們的生活聯(lián)系越來越緊密，故日益受到關(guān)注。電機(jī)控制器作為機(jī)器人的核心部分，直接決定了其功能和性能。雖然用于工業(yè)機(jī)器人的伺服電機(jī)控制器技術(shù)已經(jīng)成熟，但用于服務(wù)機(jī)器人的伺服電機(jī)控制器的研究和開發(fā)仍然存在許多問題。開發(fā)一種“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、小型化的嵌入式電機(jī)控制器”已經(jīng)成為當(dāng)前服務(wù)機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。

基于美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC單片機(jī)具有速度快、體積小、低功耗、驅(qū)動能力大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，故采用該系列微型芯片：PIC18F452開發(fā)了一種小型嵌入式電機(jī)控制器。該控制器和主控微機(jī)、驅(qū)動器共同構(gòu)成機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)采取了可變的控制模式，并且控制器能和驅(qū)動電機(jī)一起安裝在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，因此特別適合電池驅(qū)動的多軸服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用。

本文著重介紹控制器的軟件構(gòu)造、操作指令和通信模式。設(shè)計(jì)了一種使用方便的指令模式，該模式能識別幾十種指令語句，并容易實(shí)現(xiàn)對指令語句的擴(kuò)展。同時(shí)用串口方式形成機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)小型控制器不但能和主控微機(jī)之間通信，而且各個(gè)控制器之間也可以進(jìn)行信息交流。為了保證通信的連續(xù)性和可靠性，該伺服控制系統(tǒng)具有通信錯誤處理機(jī)制。

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信號形式輸出到電機(jī)驅(qū)動器，同時(shí)電機(jī)的位置、速度和電流能實(shí)時(shí)測量并送到主控微機(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)中對電機(jī)位置譯碼的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)測量?？刂破鬈浖?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號和Code(指令號)。ID指出控制器的識別號碼，Code指出指令代碼，它們各占4位。

需要注意的是，對于控制和設(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)的有符號數(shù)來表示，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)動的場合。速度控制數(shù)據(jù)由一個(gè)字節(jié)的有符號數(shù)來表示，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)動方向和電流的控制方向相同的場合，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)動方向和電流的控制方向相反的場合。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。其中動作端A和動作端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)的無符號數(shù)來表示。

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?？刂破靼ù?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)動器和電機(jī)的連接如圖7所示。

當(dāng)主控微機(jī)對控制器進(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。

3．3 通信錯誤處理機(jī)制

由于外界干擾或電壓波動等原因，主控微機(jī)和控制器之間的通信可能會出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，受信側(cè)不能正常接收數(shù)據(jù)或系統(tǒng)運(yùn)行錯誤。為了確保通信的連續(xù)性和可靠性，設(shè)計(jì)了通信錯誤處理機(jī)制。

由于各指令的通信時(shí)間均在2 ms之內(nèi)，如果受信側(cè)在2 ms之內(nèi)依然沒有接收到完整的數(shù)據(jù)，則認(rèn)為通信出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)將進(jìn)行恢復(fù)處理。受信側(cè)會把已接收的數(shù)據(jù)清零并等待重新接收，送信側(cè)將再次發(fā)送數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，如果發(fā)送三次之后依然不能恢復(fù)正常通信，系統(tǒng)將停止運(yùn)行。

3．4 通信協(xié)議軟件

通信協(xié)議軟件在Windows XP操作系統(tǒng)上用匯編語言開發(fā)而成，其編制方案簡要介紹如下：

(1)主控微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)主控微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要自動記錄指令的命令字節(jié)，即需要記錄接收該指令的控制器ID號以及指令號Code。

(2)控制器接收數(shù)據(jù)

控制器接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將會進(jìn)行ID校驗(yàn)，如果一致則接收，然后根據(jù)指令號Code決定需要接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。如果指令I(lǐng)D號與自身的ID號不一致或者在2 ms內(nèi)沒有接收到完整的數(shù)據(jù)，控制器將會把已接收的數(shù)據(jù)清零并等待主控微機(jī)重新發(fā)送。

(3)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)控制器接收到詢問指令，并確認(rèn)ID一致后，將返回該指令的命令字節(jié)(ID+Code)和相應(yīng)的詢問數(shù)據(jù)。對于控制指令和設(shè)定指令，則只返回一個(gè)命令字節(jié)(ID+Code)。

(4)主控微機(jī)接收數(shù)據(jù)

主控微機(jī)接收到控制器返回的數(shù)據(jù)后，對于控制和設(shè)定指令，將會把返回的數(shù)據(jù)與發(fā)送記錄相比較，如果一致則刪除發(fā)送記錄，否則，認(rèn)為通信有誤，進(jìn)行出錯處理；對于詢問指令，將把接收到的數(shù)據(jù)顯示或儲存以備后用。

4 實(shí) 驗(yàn)

圖9是開發(fā)出來的控制器和驅(qū)動器。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)方案編制和調(diào)試程序后進(jìn)行了位置控制、速度控制、電流控制的實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)。

位置控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。位置控制的單位是編碼器的脈沖數(shù)(Pulse)。圖10指出當(dāng)目標(biāo)位置是2 795時(shí)，位置控制能夠精確地控制電機(jī)到達(dá)指定的位置。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其誤差均小于±0．2脈沖。

速度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。速度控制以脈沖數(shù)／周期(Pulse／0．4 ms)為單位。

圖11指出當(dāng)目標(biāo)速度是30 Pulse／O．4 ms時(shí)，速度控制能夠精確地控制電機(jī)以指定的速度運(yùn)行。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其誤差均小于±2 Pulse／O．4 ms。

電流控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。電流控制以電機(jī)的額定電流與最大指令比(A／7 FH)為單位。圖12指出當(dāng)目標(biāo)電流是2 A時(shí)，電流控制能夠精確地控制電機(jī)在指定的電流下運(yùn)行。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其誤差均小于±O．1 A。

實(shí)驗(yàn)表明本文提出的控制器位置精度、速度精度、電流精度能滿足多軸服務(wù)機(jī)器人的需要。

5 結(jié) 語

提出的控制器為嵌入式服務(wù)機(jī)器人控制器的研究和開發(fā)提供了一種新的控制和通信模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出該控制器的控制精度能滿足多軸服務(wù)機(jī)器人的需要。該項(xiàng)目的研究將有助于推動我國服務(wù)機(jī)器人控制器的發(fā)展，具有較好的應(yīng)用前景。