越障移動機構控制系統(tǒng)設計

鄭衛(wèi)東，房玉吉

(1.海軍裝備部艦船辦公室，北京，100071；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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越障移動機構控制系統(tǒng)設計

鄭衛(wèi)東1，房玉吉2

(1.海軍裝備部艦船辦公室，北京，100071；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

按照模塊化的設計理念，以數(shù)字信號處理器(DSP)為主控制單元，通過復雜可編程邏輯器件(CPLD)進行功能拓展，封裝成電機控制模塊，通過CAN通信方式將各模塊與上位機連接，形成開放式運動控制系統(tǒng)，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的開放性及可重構性。

數(shù)字信號處理器；復雜可編程邏輯器件；運動控制

隨著遠洋船舶總尺度不斷增加，船員生活品質的不斷提高，船上日常物品包括食品、生活垃圾等的頻繁運輸與船舶通道內的“立板式”障礙的矛盾越來越突出，迫切需要有效的運輸工具。為此，提出一種移動機構，如圖1所示。

整個機構共需要12個驅動電機，包括6個驅動擺臂的擺臂電機和6個驅動車輪轉動的行走電機，本文主要對該機構的控制系統(tǒng)進行設計分析。

1 控制系統(tǒng)構建

由于移動機構越障過程的復雜性及控制的精確性，要求對所有的驅動電機均實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，這都對控制系統(tǒng)種主控制模塊的運算速度提出了較高要求，傳統(tǒng)單片機構成的運動控制器，由于其數(shù)據(jù)處理能力有限，系統(tǒng)相對封閉,可靠性和穩(wěn)定性差，因此很難實現(xiàn)高性能閉環(huán)矢量控制[2]。TI公司推出的TMS320F2407微處理器，是一款專用于電機控制和運動控制的芯片，它不僅具備高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且片內集成了豐富的電機控制外圍部件[3]，是高速高精度電機運動控制的理想選擇。

由于TMS320F2407的正交編碼信號通道僅有2路，若要實現(xiàn)對多個驅動電機的閉環(huán)控制便要復用其他引腳采集電機的編碼器信號，還要在芯片內部編寫信號采集及處理程序，這樣對芯片的軟、硬件均會造成浪費，降低系統(tǒng)的性能。復雜可編程邏輯器件(CPLD) 具有速度快、可以多路并行、靈活性大、設計開發(fā)簡單以及可靠性高等優(yōu)點[2]，可以方便地實現(xiàn)對TMS320F2407的功能擴展，完成對電機編碼器信號的采集及處理，這樣DSP2407與 CPLD封裝成一個控制模塊，實現(xiàn)對3個電機的閉環(huán)控制。

為實現(xiàn)對多個控制模塊的統(tǒng)一控制，保證越障運動的協(xié)調，設置一臺上位機完成對越障機構的運動規(guī)劃及控制。上位機與各控制模塊之間通過控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線進行通信。CAN作為在工業(yè)領域廣泛應用的一種總線,具有實時性好、抗干擾能力強、成本低、可靠性高、波特率高及開放性好等特點，很適合用來搭建機器人的多電機控制系統(tǒng)[4]，控制系統(tǒng)組成框架如圖2所示。

每個運動控制模塊對3個驅動電機進行閉環(huán)控制，整個系統(tǒng)共需要4個運動控制模塊，實現(xiàn)對12個電機的閉環(huán)控制，控制模塊通過CAN總線與上位機進行通信，接受上位機的統(tǒng)一指令。

2 電機編碼器信號采集

為實現(xiàn)對驅動電機的閉環(huán)控制，在每個電機上安裝光電編碼器，一般光電編碼器會有3路脈沖信號輸出，分別為A，B，Z相，A、B相在相位上相差90°，如圖3所示。

當A或B相信號中有一個發(fā)生變化時，就記錄一次2者的信號值。當A相信號超前B相信號1/4個周期時，電機正轉，相反，A相信號落后B相信號1/4個周期時，電機反轉，通過A、B相信號的相位差來判斷驅動電機的旋轉方向。這樣在一個信號變化周期內會得到4組信號值，相當于對碼盤信號的采集頻率提高了4倍，相應的測量精度也提高了4倍。Z相在電機旋轉一圈時才會輸出一個脈沖信號，用于定位基準點。通過計數(shù)單位時間內A、B相輸出的脈沖個數(shù)可以得到驅動電機的轉速，通過對照基準信號可以得到電機的位置。通過Quartus II對光電編碼器信號采集處理程序的仿真如圖4所示。

3 CPLD數(shù)據(jù)輸出

CPLD要將處理后的光電編碼器信號發(fā)送至DSP，可以通過SPI、SCI或總線方式。SPI和SCI均為串行通信，傳輸速度相對較低，但不會占用過多的硬件資源，且SPI相對于SCI在軟件編程方面的工作量較小，相對簡單，所以一般選擇SPI串行通信作為DPLD與DSP之間的信息傳輸方式。通過CPLD程序編譯軟件設置74165移位寄存器，可以方便地實現(xiàn)CPLD與DSP內SPI的對接。圖4為Quartus II庫中的74165移位寄存器。

74165移位寄存器共8位，8位數(shù)據(jù)在移位/置入控制引腳STLD為低電平時并行置入寄存器，當STLD為高電平時，禁止并行置入。時鐘引腳(CLK,CLKIN)功能相同，可交換使用。由于驅動電機碼盤脈沖信號計數(shù)器的位數(shù)為16位，需要16位的寄存器來接收。將2個74165移位寄存器串聯(lián)，即將其中1個的串行數(shù)據(jù)輸出口連接至另1個的串行數(shù)據(jù)輸入口，將CLKIN端子作為片選端子，CLK端子作為時鐘輸入端子。在CPLD內設置4個74165移位寄存器，完成對2個驅動電機的碼盤脈沖信號采集，2組碼盤脈沖采集信號均通過SPI串行通信方式將信號發(fā)送至DSP。由于DSP只有1個SPI端口，2組碼盤脈沖采集信號需要共用1條傳輸通道，為防止2組碼盤信號的相互干擾，在2組信號的輸出段各增加1個3態(tài)緩沖門，將整個碼盤采集、處理、發(fā)送程序封裝成1個獨立的模塊，每個模塊對應2臺。

驅動電機碼盤信號的計數(shù)器為將2個74165移位寄存器串聯(lián)完成對1個光電編碼器信號的采集處理、1個CPLD可以負責2個光電編碼器信號。為2組串聯(lián)的移位寄存器的STLD引腳接入來自同一信號源的置位信號，當置位信號到來時，數(shù)據(jù)被同時鎖存到移位寄存器內，保證控制精度。

DSP2407A自身帶有1個串行通訊接口模塊SPI，它是1個高速、同步串行接口，主要用于DSP與其他處理器或外設之間的數(shù)據(jù)通信，當不使用SPI進行通信時，該引腳可作為一般的I/O接口。該通信方式的數(shù)據(jù)長度為1～16位可編程，傳輸速率也可以通過調整波特率的形式進行編程，由于本模塊中的數(shù)據(jù)傳輸方向僅為由CPLD至DSP，并不是雙向傳輸，所以僅使用SPI通信模塊的2個引腳即可。

4 CAN通信設計

由于整個控制系統(tǒng)有12臺閉環(huán)控制的驅動電機，4個運動控制模塊，為實現(xiàn)對移動機構的精確控制，保證動作的協(xié)調性，需要有1臺上位機進行統(tǒng)一控制，結合以DSP為核心的控制系統(tǒng)的特點，采用CAN總線方式作為上位機與控制模塊間的通信方式。

CAN通信構架示意于圖6。CAN總線只需要CAN_H和CAN_L 2根通信線，其他控制模塊可以通過DSP自帶的CAN通信接口直接連接至總線上。

DSP內嵌的CAN通信模塊有6個通信郵箱，用于數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送。由于1個以DSP為核心的控制模塊控制3臺電機，選取其中的1個郵箱便可滿足本控制系統(tǒng)的通信需求，對于擺臂電機，除首尾各8位的校驗位，其余各位用于存儲3個擺臂電機的轉向及位置；對于行走電機，除首尾各8位的校驗位，其余各位用于存儲3個行走電機的速度大小及方向。

5 結論

通過CPLD擴展DSP的控制功能，共同構成驅動電機閉環(huán)控制控制模塊，作為多電機控制系統(tǒng)的基本單元，通過CAN總線接受上位機的統(tǒng)一指令，縮短控制系統(tǒng)的開發(fā)周期及工作量，顯著提供系統(tǒng)的開放性及可重構性。

[1] 房玉吉，李瑋.一種新型船用運輸機構[J].船海工程,2016，45(2):121-123.

[2] 劉洋，趙金.基于DSP+CPLD的多軸矢量運動控制器的設計[J].電氣傳動，2005，35(12):15-17.

[3] 戴曉星，顏曉河.基于TMS320F240的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)[J].機電工程,2007，24(12)：79-81.

[4] 楊坤，李聲晉，盧剛，等.基于CAN總線的輪腿式機器人控制系統(tǒng)設計[J].2009(4):28-31.

[5] 房玉吉.輪腿復合式移動機器人越障分析與控制系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

Design of the Obstacle-climbing Mechanism

ZHENG Wei-dong1, FANG Yu-ji2

(1.Ship Office of Naval Department of PLAN, Beijing 100071, China; 2.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

In accordance with the modular design concept, an open motion control system is designed, with CAN as a means of communication between the control module and the host computer, with the DSP as the core, using the CPLD for function expansion. It shortened the development period and improved the openness and re-configurability of the system.

DSP; CPLD; motion control

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.024

2017-03-07

國家部委基金資助項目

鄭衛(wèi)東(1965—)，男，學士，高級工程師

研究方向：船舶保障系統(tǒng)

U664.6

A

1671-7953(2017)03-0106-03

修回日期：2017-03-27