基于DSP小型地面移动机器人运动控制系统设计毕业设计 精品.docx

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基于DSP小型地面移动机器人运动控制系统设计毕业设计精品

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，PWM

Abstract

Inpresent,themobilerobothasbeenapliedmoreandmorewidely.Ithasbeenusedinallhumanlife.Ithasbecomethefocusstudytocompletethedangeroustaskssuchasinvestigation,removeexploderandfireprotectionwithmobilerobot.Withthemobilerobotbecomingmoreandmoreintelligent,therequirmentofmotioncontrollerhasbeenimprovedincreasingly.Itrequiresthecontrollerwithgoodreal-timeandrapidresponsecapacity.Thestudyhaddesignedamotioncontrollerofmobilerobotwithfullydigitalcontrolsystem.Ithadthefunctionofcontrol,powerdriverandvariousoverloadprotection.

TheARM9processorwasusedinthemotioncontrollerasmaincommandchipandDSPchipsasthedistributedcontrollers.ThehardwarecircuitsofDSPcontrollerhadbeendesigned.ItincludedtheleastcontrolcircuitofDSP,thecircuitofmotordrive,checkcurrent,positiondetectionofmotor,over-voltageandunder-voltageprotection.Themaincircuitshadbeenanalyzeddetailed.ThemainprocessorARM9anddistributedprocessorsDSPusingCANbuscommunicatewitheachother.Themotioncontrollerhaddoubleclosedloopswhichwerespeedloopandcurrentloop.ThetraditionalPIDcontrolhadbeenimproved.TheintegralseparationPIDcontrolhadbeenusedinthespeedreguator.

Basedonthehardwarecircuitsandthecontrolarithmetic,thesoftwaredesignoftheDSPcontrollerhadbeencompleted.Itincludedthemainprogramandvarioussubprogramsofinterrupt.Theprogramofmotorcommunication,speedcalculation,PWMoutput,speedcontrol,communicationwithCANandsoonwerealsoincludedinthesubprogram.

Keywords:

MobileRobot,ARM9,DSPMotionController,BLDCM,PWM

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；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

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、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。

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Q1Q4~Q1Q6~Q3Q6~Q3Q2~Q5Q2~Q5Q4。

其中Q1~Q6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

为三相绕组反电动势波形，矩形波

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。

图2-3电机全桥驱动方式电路图

图2-4无刷直流电机反电势和电流波形图

图2-5三相六状态120°导通方式

电机运行过程中，电子换相的关键在于：

当检测到当前转子位置变化的同时，查询换相逻辑表，并开通下一位置状态所对应的功率电子开关组合。

表2-2列出了电机正传和反转时三相逆变器的导通顺序。

表2-2电机全桥驱动的通电规律

通电顺序

正传（逆时针）

反转（顺时针）

转子位置（电角度）

0

60

60

120

120

180

180

240

240

300

300

360

360

300

240

300

180

240

120

180

60

120

0

60

开关管

1，4

1，6

3，6

3，2

5，2

5，4

3，6

1，6

1，4

5，4

5，2

3，2

A相

+

+

-

-

+

+

-

-

B相

-

+

+

-

+

-

-

+

C相

-

-

+

+

-

-

+

+

注：

表中“+”表示正向通电，“-”表示反向通电。

根据每个导通状态PWM作用管子数目的不同，把PWM调制分成“单斩”和“双斩”两种方式。

采用单斩PWM方式对无刷直流电动机进行控制时，流过电机绕组的最大电流波动值是双斩PWM方式下的一半。

并且，在本设计中由于采用电流闭环控制实现对无刷直流电机的转矩控制，当电流波动较大时电机会出现抖动的现象。

因此为了减小流过电机的电流脉动和功率管的开关损耗，设计中采用上桥臂直通、下桥臂单斩方式对无刷直流电动机进行调节控制。

2.2.3无刷直流电机的数学模型

现在仅以“120°导通型”电机为例，对与电动机驱动相关的电磁转矩和转速特性进行研究分析：

对于星形连接的三相无刷直流电机，在理想条件下，任何时刻只有两相绕组通电导通。

导通的两相电流和两相反电动势大小都分别相等但方向相反。

无刷直流电机的电磁转矩方程为：

（2-1）

式中，

为电机的电磁转矩，

为电机极对数，

为三相绕组瞬时电势，

为三相绕组瞬时电流，

为电机转子角速度。

在理想情况下，由于任何时刻定子绕组只有两相导通，不导通相的电流等于零。

则电磁功率又可表示为：

（2-2）

式中，

为每相反电动势，

为逆变器直流侧电流，则电磁转矩又可表示为：

（2-3）

考虑到定子每相绕组的反电动势正比于转子角速度，即：

（2-4）

式中，

为电势常数。

将（2-4）代入（2-3），则电磁转矩可表示为：

（2-5）

其中，

为转矩常数。

在忽略永磁体阻尼的情况下，转子运动方程表示为：

（2-6）

式中，

为负载转矩，

为电机转动惯量。

由式（2-4）可以得出电机的转速方程：

（2-7）

式中，

为电机绕组两端的等效电压值，

为电机各相绕组电阻值，

为电枢绕组的电阻压降，

为绕组电感压降。

从上公式（2-5）（2-7）可以看出：

（1）无刷直流电机输出电磁转矩与逆变器直流侧电流值为常系数关系，调节逆变器直流侧电流的大小可实现电机输出转矩调节；

（2）当逆变器直流侧电流恒定不变，即电机的输出电磁转矩恒定时，电机转速与电机绕组两端所加等效直流电压值成正比，调节电机绕组两端所加等效直流电压值U可实现电机的调速控制。

图2-6是利用开关管进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。

（a）原理图（b）输入/输出电压波形图

图2-6PWM调速控制原理和电压波形图

电机电枢绕组两端的电压平均值U为：

（2-8）

（2-9）

式中，

是占空比。

改变

的值即可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是电机的PWM调速原理。

在PWM调速时，占空比

是一个重要的参数。

由上式及

可知，以下三种方法可以改变占空比

的值：

（1）定频调宽法：

保持开关周期T不变，调节开关导通时间

.

（2）定宽调频法：

保持开关导通时间

不变，改变开关周期T。

（3）调宽调频法：

和T都可调，使占空比改变。

本章小结：

本章主要阐明了移动机器人运动控制系统的总体结构，讨论了电机的选型，无刷直流电机的结构、工作原理及数学模型，简要介绍了无刷直流电机的控制方法。

第三章控制系统硬件电路设计

3.1控制系统电源设计

设计电源时要考虑的因素有：

输出的电压、电流、功率；输入的电压、电流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和干扰；体积和功耗限制；成本限制等。

控制系统中，电源不稳定是系统很大的干扰源。

电源在开关时产生的电源噪声沿着电源线传播，或在芯片状态发生改变时，电源功耗的变化均会在电源和地线之间产生噪声。

因此在电源电路设计中，要在48V电源信号的电源线和地线之间并联一个大电解电容；在每个集成电路的电源端并联一个0.1uF去耦电容滤除电源波动在芯片电源引脚引起的电压扰动，降低电流冲击的峰值，防止因为电源耦合造成元器件不能正常工作。

数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。

考虑到机器人重量和行程限制，且便于给直流电机供电，整个控制系统使用4块天能6-DZM-12型蓄电池串联供电。

天能电池容量大、比能量高、自放电率低、循环寿命长、安全可靠。

6-DZM-12电池参数见表3-1。

表3-1天能6-DZM-12型蓄电池参数表

标称电压

12V

额定容量

12HR

参考重量

4.2kg

尺寸（长）

151mm

尺寸（宽）

99mm

尺寸（高）

95mm

3.1.1驱动板电源设计

由于驱动板上的驱动芯片需要+15V的电压和较大的驱动电流，其电源还要与DSP控制板电源隔离，因此专门为其设计了电源。

经过仔细比较各电源芯片，最后选定了LM2576HV-5.0和LM2576HV-15作为电源芯片。

图3-1为LM2576的典型应用电路。

图3-1LM2576的典型应用电路

LM2576系列稳压器是单片集成电路，能够提供降压开关（BUCK）的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。

这些稳压器的内部都含有频率补偿器和固定频率振荡器，将其外部元件减到最少，大大简化了电源的设计。

当使用LM2576HV-15时可输出15V电压，而使用LM2576HV-5.0就可输出5V电压，完全能够满足驱动板的供电需求。

使用时输入端接48V直流电压，其输出电流可以达到3A。

3.1.2DSP供电电源专用芯片的匹配电源设计

（1）从串联的蓄电池中间抽头获取24V电压，经过DC/DC变换器，将24V变换成5V，以满足DSP专用供电芯片的需要。

方案一：

应用MC34063DC/DC变换器控制电路将24V直流降压为5V。

MC34063是单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。

片内包含温度补偿带隙基准源、占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。

它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

图3-2为MC34063DC/DC变换器应用电路。

图3-2MC34063DC/DC变换器应用电路

方案二：

应用LT1936DC/DC变换器控制电路将24V直流降压为5V。

图3-3为LT1936DC/DC变换器应用电路。

虽然LT1936DC/DC变换器控制电路与MC34063DC/DC变换器控制电路的可靠性都比较好，输出电流亦满足设计要求，但是MC34063DC/DC变换器控制芯片价格非常便宜，外围电路也较为简单，因次选择了方案一。

图3-3LT1936DC/DC变换器应用电路