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(tǒng)來操控的，是通過對電機的控制方式來控制運動控制系統(tǒng)的。電動機主要工作的核心是芯片，這個芯片就是數(shù)字信號處理器（DSP），它是一種廣泛應(yīng)用于機器人控制中的控制系統(tǒng)的核心芯片，其具有很多優(yōu)點，如控制的精準度高、可重復(fù)、穩(wěn)定、可靠性好，能夠滿足機器人的復(fù)雜控制要求。被廣泛應(yīng)用，其作用有很多，不僅可以對電機進行控制，還可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速檢測，進一步反饋機器人的運動控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，通過信號反饋實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計，以其控制芯片為基礎(chǔ)描述了三大模塊應(yīng)用，主要內(nèi)容包括運動控制系統(tǒng)的硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計，為讀者在設(shè)計方案上提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：DSP；運動控制；5R機器人；

一、運動控制系統(tǒng)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(tǒng)上有很多功能，包括完成任務(wù)調(diào)度、軌跡插補、運動控制、狀態(tài)監(jiān)控等。在調(diào)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(fù)雜的控制算法，通常會采用CY7CL041來擴大數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間，解決程序空間和數(shù)據(jù)空間較小的問題，并將其映射到DSP外部存儲區(qū)域中?，F(xiàn)在系統(tǒng)使用的是CPLD，是由Altera公司推出的 EMP240T100，主要實現(xiàn)三個功能：①地址譯碼，根據(jù)DSP的地址信號，內(nèi)部專門設(shè)計進行地址譯碼電路，產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)生時向DSP申請中斷；③作為DSP外擴I/O，CPLD還起到電平轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)交換、任務(wù)傳輸、狀態(tài)通告等。為了滿足通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大、實時性要求高的需求，多數(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，還可作為數(shù)據(jù)存儲緩存區(qū)。

（三）外設(shè)模塊 外設(shè)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(zhuǎn)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(wù)，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(diào)整，電平轉(zhuǎn)換和光電隔離模塊主要的任務(wù)是轉(zhuǎn)換不同電壓信號和提高系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計

（一）機器人控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 機器人要實現(xiàn)仿人的運動控制系統(tǒng)，主要由幾個子系統(tǒng)組成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，子系統(tǒng)包括：通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)以及規(guī)劃決策系統(tǒng)，通過他們協(xié)調(diào)、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(jīng)過一系列的指控環(huán)節(jié)，首先由視覺傳感系統(tǒng)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(tǒng)傳遞到規(guī)劃決策系統(tǒng)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(jīng)過通信系統(tǒng)傳遞到運動控制系統(tǒng)進行機器人各控制部分的控制。

（二）運動控制系統(tǒng)的設(shè)計 在進行機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)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(jié)果輸出相應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(shù)字信號的優(yōu)點，作為現(xiàn)代機器人設(shè)計中應(yīng)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(tǒng)硬件電路的設(shè)計

運動控制系統(tǒng)硬件電路具有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路、復(fù)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(shù)模轉(zhuǎn)換電路 DSP控制器在運行過程中需要的是數(shù)字信號，而傳感系統(tǒng)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(shè)置一個數(shù)模轉(zhuǎn)換電路來完成信號的轉(zhuǎn)換。

2.時鐘電路

本系統(tǒng)選用的DSP控制器，在XTAL1/CLKIN和XTAL2之間并聯(lián)一個晶體，晶體在運動控制系統(tǒng)內(nèi)部形成晶振電路，在機器人運動控制設(shè)計過程中，硬件接口不同就會導致產(chǎn)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(diào)整時序需要在外界設(shè)置插入等待狀態(tài)發(fā)生器。

3.復(fù)位電路

復(fù)位電路作為運動控制系統(tǒng)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(fù)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(chǎn)生感性負載，且它的工作電壓高于DSP系統(tǒng)電壓，因此需要設(shè)置隔離電路，作用是將DSP控制器與步進電機的驅(qū)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(tǒng)通信的主要通道，是在控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)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(shè)備之間的通信。

結(jié)語：

隨著科技發(fā)展，機器人的生產(chǎn)越來越廣泛，工業(yè)生產(chǎn)伴隨著科學技術(shù)的步伐向前邁進，進一步推動了工業(yè)生產(chǎn)自動化程度，提高人類生活的智能化。機器人在工農(nóng)業(yè)、人類生活等多方面已經(jīng)被廣泛的利用。機器人技術(shù)包含了自動控制技術(shù)、微電子與計算機技術(shù)、傳感與信息處理技術(shù)、人工智能技術(shù)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(shù)高含量的學科。機器人的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的過程，改變?nèi)祟惖纳罘绞剑梢源嫒祟愖鲆恍┦虑?，實現(xiàn)了生產(chǎn)的智能化、機械化和自動化，推動了科學技術(shù)的發(fā)展。

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