基于DSP的雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)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(kuò)展、備用端口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和光電信號(hào)處理等模塊，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

雙足機(jī)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(duì)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(hù)、復(fù)位和監(jiān)控輸出電壓等功能，能滿足系統(tǒng)對(duì)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(jì)算機(jī)，其仿真信號(hào)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(shí)現(xiàn)DSP與CAN總線的通信功能。為了確保在CAN總線傳輸信號(hào)的完整性，設(shè)計(jì)時(shí)在CAN總線的兩根傳輸線之間加上150 Ω的電阻進(jìn)行阻抗匹配，可以提高CAN總線傳輸信號(hào)的精度。

利用XINTF的區(qū)域O和區(qū)域1擴(kuò)展一塊存儲(chǔ)容量為(64K×16)b的RAM存儲(chǔ)器IS61LV6416-10T。其數(shù)據(jù)存取時(shí)間為10 ns，能滿足高速運(yùn)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(hào)一般為5 V，因此需要將外部5 V信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合DSP芯片要求的3．3 V信號(hào)，系統(tǒng)使用總線驅(qū)動(dòng)器74LVX4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用全橋驅(qū)動(dòng)三相無刷直流電機(jī)的控制方式，由于要獨(dú)立控制5個(gè)電機(jī)，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(dòng)等信號(hào)通過控制電路轉(zhuǎn)換后進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速，這里使用三相無刷直流電機(jī)控制器MC33035。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，MC33035的輸出信號(hào)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(shí)機(jī)，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)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(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是接收到主控計(jì)算機(jī)傳來的運(yùn)動(dòng)控制指令后，電機(jī)是否能夠達(dá)到要求的速度和角度，考慮到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中不可避免的誤差，特別引入補(bǔ)償算法，實(shí)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。

主控計(jì)算機(jī)根據(jù)步態(tài)規(guī)劃的數(shù)據(jù)，發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，生成下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度等控制參數(shù)，運(yùn)動(dòng)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(jì)算出占空比信息并生成相應(yīng)的PWM波，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后將電機(jī)光電編碼器傳送回的信號(hào)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)位置和速度等信息，補(bǔ)償控制針對(duì)速度和位置誤差采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算需要的執(zhí)行量，調(diào)整PWM波形，在每一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)使電機(jī)達(dá)到指定的速度，并使運(yùn)動(dòng)中的關(guān)節(jié)電機(jī)能夠克服機(jī)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(shí)，程序運(yùn)行后在指定的擺動(dòng)角度下監(jiān)控到的單關(guān)節(jié)電機(jī)速度跟蹤曲線，其響應(yīng)時(shí)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(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在控制方案的具體實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)機(jī)器人腿部系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，將控制器圍繞DSP處理和電機(jī)控制電路來分別設(shè)計(jì)，這樣既方便設(shè)計(jì)和調(diào)試，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用速度和位置雙閉環(huán)控制，保證運(yùn)轉(zhuǎn)精度。經(jīng)測試，系統(tǒng)基本滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求，為雙足步行規(guī)劃提供了試驗(yàn)平臺(tái)。