基于DSP運動控制器的5R工業(yè)機器人系統設計

許澤林

摘 要：機器人的各種運動和操作的重要部件是由運動控制系統來操控的，是通過對電機的控制方式來控制運動控制系統的。電動機主要工作的核心是芯片，這個芯片就是數字信號處理器（DSP），它是一種廣泛應用于機器人控制中的控制系統的核心芯片，其具有很多優(yōu)點，如控制的精準度高、可重復、穩(wěn)定、可靠性好，能夠滿足機器人的復雜控制要求。被廣泛應用，其作用有很多，不僅可以對電機進行控制，還可以實現電機的轉速檢測，進一步反饋機器人的運動控制系統發(fā)出的信號，通過信號反饋實現更加精準的控制。本篇文章基于DSP運動控制器對機器人進行系統設計，以其控制芯片為基礎描述了三大模塊應用，主要內容包括運動控制系統的硬件和結構設計，為讀者在設計方案上提供相應的參考。

關鍵詞：DSP；運動控制；5R機器人；

一、運動控制系統的三大模塊

（一）核心處理模塊 核心處理模塊DSP在機器人運動控制系統上有很多功能，包括完成任務調度、軌跡插補、運動控制、狀態(tài)監(jiān)控等。在調試機器人的時候，我們一般采用的是美國TI公司的 TMS320F2812處理器，可以通過它在運動控制的過程中實時記錄位置、速度、加速度信息，不僅如此，還可以執(zhí)行復雜的控制算法，通常會采用CY7CL041來擴大數據存儲空間和程序存儲空間，解決程序空間和數據空間較小的問題，并將其映射到DSP外部存儲區(qū)域中?，F在系統使用的是CPLD，是由Altera公司推出的 EMP240T100，主要實現三個功能：①地址譯碼，根據DSP的地址信號，內部專門設計進行地址譯碼電路，產生相應的片選信號，選通SDRAM、DA、以及雙端口RAM；②外部中斷邏輯判斷，意思就是對伺服電機的伺服報警信號和同零信號以及雙端口RAM的BUSY信號檢測、判斷，產生時向DSP申請中斷；③作為DSP外擴I/O，CPLD還起到電平轉換的作用。

（二）通信模塊 通信模塊主要的功能就是完成上位機數據交換、任務傳輸、狀態(tài)通告等。為了滿足通訊傳輸的數據量大、實時性要求高的需求，多數采用PCI總線的通訊方式。PCI總線的控制芯片是采用PLX公司的 PCI9052。同時在DSP和PCI控制芯片之間加入了雙端口RAM為了提高數據傳輸的速度，還可作為數據存儲緩存區(qū)。

（三）外設模塊 外設模塊包括DA模塊、PWM模塊，DA模塊和PWM模塊輸出伺服電機的控制電壓或脈沖，還包括電平轉換、光電隔離模塊以及通用10模塊等。模塊之間有不同的任務，其中DA模塊和PWM模塊是用于完成伺服電機的運動速度或位置0的調整，電平轉換和光電隔離模塊主要的任務是轉換不同電壓信號和提高系統的抗干擾能力，通用10模塊主要是對電機狀態(tài)模式進行控制和檢測。

二、基于DSP運動控制的機器人控制系統的結構和硬件設計

（一）機器人控制系統的整體結構 機器人要實現仿人的運動控制系統，主要由幾個子系統組成閉環(huán)的控制系統，子系統包括：通信系統、傳感系統、運動控制系統以及規(guī)劃決策系統，通過他們協調、合作共同完成機器人的運動操作。機器人要想正常運行，必須經過一系列的指控環(huán)節(jié)，首先由視覺傳感系統對工作環(huán)境的信息進行掃描，信息采集過后需要分析，這一步由通信系統傳遞到規(guī)劃決策系統進行整理，處理完畢開始發(fā)出對機器人運動控制的指令，控制指令再次經過通信系統傳遞到運動控制系統進行機器人各控制部分的控制。

（二）運動控制系統的設計 在進行機器人運動控制系統的設計時前提條件是控制器的選擇，選擇合適的控制器對機器人控制是很必要的，好的控制器具有較強的運算能力和穩(wěn)定性，對它的選擇需要滿足快速的接受高級的控制指令，并對發(fā)出的指令進行分析，再對分析結果輸出相應的控制信號。另外，對電機也需要選擇，電機是機器人執(zhí)行結構，它的選擇由機器人的功能需求和操作要求所決定。步進電機具有維護方便，通信簡單，直接接受數字信號的優(yōu)點，作為現代機器人設計中應用較多的電機類型，但是在運行的過程中，它負載過大會造成電機的失步或者停止，因此需要選擇扭矩大的步進電機。

（三）運動控制系統硬件電路的設計

運動控制系統硬件電路具有模數轉換電路、時鐘電路、復位電路、信號隔離電路和串行接口電路這幾部分。下面我們對這些一一進行講解：

1.數模轉換電路 DSP控制器在運行過程中需要的是數字信號，而傳感系統采集的信號以及從外部輸入的信號是模擬信號，因此就需要設置一個數模轉換電路來完成信號的轉換。

2.時鐘電路

本系統選用的DSP控制器，在XTAL1/CLKIN和XTAL2之間并聯一個晶體，晶體在運動控制系統內部形成晶振電路，在機器人運動控制設計過程中，硬件接口不同就會導致產生訪問速度快慢差別，如果不控制在同時序，很可能會造成程序和運動控制的混亂，為調整時序需要在外界設置插入等待狀態(tài)發(fā)生器。

3.復位電路

復位電路作為運動控制系統正常運行的必要硬件組成部分，其在程序運行的初始階段對寄存器和輸入輸出端口進行復位，維持保證程序的正常運行。

4.信號隔離電路

由于步進電機在運行的過程中可以產生感性負載，且它的工作電壓高于DSP系統電壓，因此需要設置隔離電路，作用是將DSP控制器與步進電機的驅動電路隔離，隔離采用的工具是光電耦合器，它對隔離信號有很強的作用，進而使信號之間互相干擾的可能性降低。

5.串行接口電路

串行接口電路作為機器人運動控制系統通信的主要通道，是在控制系統與其他系統之間進行的，串行通信接口可以獨立中斷接受和發(fā)送信號，完成獨立工作，維持CPU和使用標準格式的設備之間的通信。

結語：

隨著科技發(fā)展，機器人的生產越來越廣泛，工業(yè)生產伴隨著科學技術的步伐向前邁進，進一步推動了工業(yè)生產自動化程度，提高人類生活的智能化。機器人在工農業(yè)、人類生活等多方面已經被廣泛的利用。機器人技術包含了自動控制技術、微電子與計算機技術、傳感與信息處理技術、人工智能技術與仿生學等多門學科，機器人的研究成果是一個綜合性強的技術高含量的學科。機器人的出現打破了傳統工業(yè)生產的過程，改變人類的生活方式，它可以代替人類做一些事情，實現了生產的智能化、機械化和自動化，推動了科學技術的發(fā)展。

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