（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的清洗机器人模糊控制系统研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc r a w l e r - t y p ec e n t r a l 灿r - c o n d i t i o n e r c l e a n i n g r 0 b o tb a s e do nds p a b s t i a c t w i t ht h e i n c r e a s i n ga w a r e n e s so fh u m a n h e a l t ha n d g o v e m m e n ta t t e n t i o n ，t h er e s e a r c ha n d a p p i i c a t i o no fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n e rd e a n i n g r o b o ti no u rc o u n t r y ，h a v eb e e ns o c i a le s s e n t i a l n e e d s ，a n dh a v eb r o a dp r o s p e c t s t l 量l ec r a w l e r - t y p ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n e rd e a n i n gr o b o ts y s t e mb a s e do nd s ph a sb e e n d e s i 9 1 1 e d ，w i t ht h eb a c k 黟o u n do fc l e a n i n gr o b o ta n dt h ec o r ec o n t r o l l e ro fd s pc h i p f i r s t l y ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns t a t u so f c e n t r a la i r c o n d i t i o n e rc l e a n i n gr o b o th a s b e e ni n t f o d u c e dc o m p r e h e n s i v e l y t h er o b o tr e s e a r c hp l a t f o 肌s ，f e a s i b i l i t y ，i n n o v a t i o n ，a n d m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h ew h o l es t r u c t u r ef h m eh a sb e e ni n t r o d u c e d t or e a l i z et h em o b i l ef u n c t i o no f t h ew h o l es y s t e m ，1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pi ss e l e c t e da st h ec o r ec o n t r o l l e r ，a n dd cm o t o ra st h e m o b i l e 蛳v eu n i t ；t h em a i l lh a r d w a r ec o n s t m c t i o na n ds o 胁a r ec o n t r o ls t r a t e g ) ra r ea l s o d e s i 印e d t h er o b o t sh 鲫d w a r ec i r c u i td e s i 印i st l l ec 0 p a no ft h ew r h o l es u b j e c t b ya i l a l ) ，z i i l gt h e h a r d w a r es t n l c t l l r ew l l i e ht h es y s t e mn e e d s ，t h er o b o tr e s e a r c hp l a t f o 册b a s e do nd s ph a sb e e n b u i l t ，w h i c hc o n t a i l l s ：d s pm i n i m u ms y s t e m ，p e r i p h e r a le l e c t r i cd r 饥融，c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，d cm o t o rd r i v ec i r c u i to fw h e e l ，d e t e c t i n g 。c i r c u i t ，a n ds of o r t h ，t h e nt h ea n t i _ j a l l l m i n g m e a s u r e sw l l i c hm u s tb ec o n c e m e di nh a r d w a r ed e s i g nh a v e b e e ns u m m a r i z e d n e nt h es o 胁a r es y s t e md e s i 印h a sb e e ne x p a t i a t e d w i l ht h ee m p h a s i so ft l l ef i l z z yp d a l g o r i t h ma p p l i e di nw h e e lm o t o rc o n t m l ，t h em a i l ls o f t w a r cc o n 缸o ls t r a t e g y 柚df r a m ea r c i n t r o d u c e d ，w h n et h es i l i l u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e da i l da n a l y z e d ；t h e nt h em o d u l e s u b r o u t i i l e s 锄de s s e n t i a lr e 舀s t e rc o 曲g i l r a t i o nh a v eb e e ni i l t r o d u c e d ，删c hc o n t a i l l ：n a s hb o o t l o a d e f ，p w mg e n e r a t i i l 舀s 谢a li n t e 血c ec o m m u i l i c a t i o n ，加c o n v e r s i o n ，a i l ds y s t e mm a i l l p r o 黟锄，a tl a s t ，m ee x p e r i l n e mr e s u l t sh a v eb e e ng i v e n f i l l a l l y ，t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sh a v e b e e ns u m m a r 讫e d w h i l et h ew o r kn e e d sm o r c l l l a l b r a t i o nh a sb e e nd e s c r i b e d k e yw o r d s ：c e n t m la * c 蚰d i t i o n e rc l e a n i i i gm b o t ， m u m p l e d t m c kd d v e d s p f i l z 巧p i d 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 竖友王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 j 2 日 学位论文作者签名：解字日期：臃月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权j 量左王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：欲樨 签字日期：幼绛钿2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲蠢以 签字日期膦钿厘，日 电话： 邮编： 北方工业人学硕七学位论文， 己i考 ，1日 我国经济经过几十年的快速发展，中央空调的使用率也越来越高，但它们的通风系 统基本未进行过系统的清洗，成为人们严重的健康隐患! 正是由于中央空调通风系统污染所造成的危害，特别是非典之后，人们健康意识普 遍提高，国家的重视程度也达到了空前的高度，我国的通风管道清洗出现了转机。而机 器人作为管道清洗的关键设备，具有诸多优点。中央空调清洗机器人的研究和发展就成 为社会的必需。 由于我国的通风管道情况与国外有所不同，国外清洗机器人尽管技术先进，但不适 于我国特殊的管道环境，所以工作时往往效果不理想；但我围的窄调清洗机器人研究还 处在起步阶段，所用的控制方式多样，有许多的不足之处，例如：稳定性、先进性和体 积紧凑性等方面有待改进和提高。因此，针对具体情况，应当研制有中国特色的清洗机 器人。 本课题l f 是突破传统方法，选用性能更强，更稳定的d s p 作为控制器核心，丌发 中央空调清洗机器人。其内部资源大大的简化了电机控制系统的硬件结构，它的高速处 理特性使得很多先进的控制算法得以实现。除了设计机器人的车轮控制系统外，为了进 一步提高机器人的越障性能，又设计了越障能力更强的4 履带驱动的机械结构。 本文在结构上，首先，针对我国中央空调管道没有统一的规格，在管道材质，尺 寸，结构上都没有统一的标准的情况，为了更好的解决机器人的越障能力，并提高其工 作时平台的机械稳定性，设计了4 履带式的轮式驱动结构。 然后，介绍了机器人车轮驱动系统总体方案设计。包括系统控制芯片类型选择，系 统硬件及软件设计方案，控制电机选型，以及电机控制方案的设计。 然后分章节详细地介绍了基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片的清洗机器人车轮控制系统 的硬件电路设计和软件设计。硬件设计包括d s p 最小系统、外围电路的设计，功率驱 动电路、反馈检测电路的设计，并对抗干扰措施进行了考虑；软件设计主要对控制策略 进行了描述和论证，着重介绍了模糊p d 控制算法，并给出了仿真结果，并且介绍了系 统运动控制程序，给出了实验的结果。 最后，在总结作者研究成果的基础上，点明了工作中的不足之处，提出了需要进一 步深入研究的工作要点。 1 北方t 业大学硕士学位论文 1 绪论 随着我国经济经过几十年的快速发展，城市楼宇中中央空调的使用率也越来越高， 但它们的通风系统基本未进行过系统的清洗，已经成为长期积累下来的卫生死角。据专 业人士披露，全国大中城市9 0 以上商务楼内的中央空调从未进行过专业清洗。中央空 调通风系统内聚集灰尘不但会污染室内的空气，对生活在其中的人己造成严重的健康隐 患；【1 】还会增加通风系统的运行阻力，使系统风量下降，更对风机盘管等术端设备造 成不同程度的污染和破坏，降低整套中央空调系统的运行寿命。 因此其清理工作变得刻不容缓，而机器人作为清洗的关键设备，能降低工作强度， 提高工作效率，进入到人所不能及的各种死角，受到越来越多专、i k 清洗公司的青睐；同 时，因为巾场巨大，也有越来越多的公司将精力投入到机器人的研发中。 1 1 中央空调清洗机器人的发展 1 1 1 国外清洗机器人的发展现状 国外发达国家使用中央空调较早，对室内空气污染对人体健康的危害认识也比较深 刻，中央空调管道清洗在国外是一个比较成熟的市场，因此设备的研究和开发也相应比 较成熟。目前发达国家均成立有中央空调管道清洗协会，如美国的蛐c a 、欧共体的 e a 、英国的h v c a 、瑞典的r s 之等，并已形成了一个完整的行业。据统计，国际 上生产通风管道清洗机器人的公司不下2 0 家，如瑞典的w 缸d e a l l ，丹麦的d a i l d u c t ， 加拿大的触o x ，美国的n i l 与v s i ，英国的h l d o o r ，韩国的h a l l l i l i l 等。2 0 0 5 年3 月 2 5 日在日本爱知县开幕的世界博览会上，展出了新研制的清洁机器人，该机器人可以 自动设定清洁线路，并绕开行进中的障碍物。 1 1 2 国内清洗机器人的发展现状 在2 0 0 3 年非典以前，因为人们健康意识和国家的重视程度相对较低，国内通风管 道清洗市场几乎是一片空白，人们往往只是关注空调的舒适性，而忽略了空调自身的卫 生状况。只有很少的高级写字楼和外资工厂有清洗的需求，不多的机器人设备也全是国 外品牌，如瑞典的w i i i t d e a l l ，丹麦的d a n d u c t ，加拿大的n o x 等。由于中央空调系统 污染所造成的危害，特别是非典之后国家对空调卫生状况的关注，我国国内中央空调通 风系统的清洗市场出现了转机：一方面表现在人们健康意识的普遍提高；另一方面，国 家对空调卫生状况的重视程度也达到了空前的高度，并相继制定了空调通风系统清洗 规范、集中空调通风系统卫生规范。通风系统清洗的市场需求空白被打破，呈现 2 北方工业大学硕士学位论文 出巨大的商业机会。但是这些国外的机器人品牌厂商所提供的服务，无论是空调清洗工 程还是设备本身，都贴上了高价的标签，一整套w 妣l e a i l 清洗机器人加上辅助设备， 售价高达1 0 0 万元，d a n d u c t 的约8 0 万元，加n o x 和h a i l l i m 的也要6 0 多万元。面对如 此高昂的设备投资，许多意欲从事通风管道清洗的人望而却步。 而且由于我国的管道情况与国外有所不同，国外大量采用圆管，易于清洗，即使是 矩形管道，规格也非常规范。国内的通j x l 管道设计时很少考虑维护，清洗难度大：一方 面管道制作不规范，管道规格多，而且经常有变径的情况；另一方面，国外空气质量普 遍好于国内，空调系统维护保养也比较到位，管道脏污程度相对较低，而国内建筑为了 节省了投资，一般空调系统过滤部分采用低效率的过滤器，甚至直接采用回风，加，卜空 气质黾较差，很少做通风系统的维护保养，管道内普遍比较脏。 由于以上原因，国外清洗机器人尽管技术先进、性能优良，但冈为针对的情况彳、= 同，设备本身对中国的具体情况很少做针对性的设计，所以工作时往往效果不理想。因 此我国对中央空调清沈机器人的研究和发展就成为社会的必需。目前有部分国内部门已 经研制卜h 了有自主特色的清洗机器人。 易格尔公司从2 0 0 3 年3 月开始，在对比了国外同类产品的基础上，联合国内多所 知名院校的机械、控制、自动化等方面的专家，利用自有的机械加工基地，开发出具有 自主知识产权的“管道清洗机器人”系列产品，有多个不同规格和型号，能适应各种不 同的管道清洗工作需要。同时，根据中国通风管道的具体情况，还开发了许多实用的辅 助配套设备。机器人主要由毛刷清扫机构、喷雾消毒机构、监视录像机构、控制机构等 部分组成，全部采用模块化设计，结构简单，维护方便，故障率低。工程实践表明，设 备性能稳定，清扫效果好。并且某些功能因为针对中国通风管道具体情况而设计，更适 合中国国情，如升降臂可远程控制、自动返航等。主要采用履带式行进机构，硬件式电 路设计，气动马达毛刷动力，高性能彩色广角摄像头，模块化设计等技术要点。 东华大学的“自主变位四履带足机器人行走机构”是一项旨在获得优异越障性能的 移动机器人技术，其主要技术特点有：【2 】 1 ) 无复杂的传动机构，结构简单、性能可靠； 劲采用低置式摆动支承四履带结构，这种结构形式的履带轮无任何复杂的变位控 制机构，越障时履带能自主变位攀爬比履带轮直径高数倍的台阶障碍，越障性能大大优 于现有的双履带和轮式行走机构； 3 1 采用低置式多履带摆动支承结构行走机构，使履带与地面能保持更多的接触面 积，使载荷均布，获得更大的牵引力存相同机重条件下可采用较小的行走机构尺寸。 3 北方_ t 业大学硕士学位论文 4 ) 采用进口的高性能直流伺服电机驱动，性能稳定，牵引力大，行走速度0 彳 i i l ，m i i l ，无级可调。 5 ) 采用多电机驱动技术，结构简单，可靠性好。具有自适应管径和自动水平姿态 调整功能。 6 ) 机器人前后均有一个彩色c c d 摄像头及照明灯，可实时监控管道清洁操作状态 和观察清扫效果。 7 ) 体积小，可用于高度1 5 0 m m 以上的矩形管道和直径2 6 0 m m 以上的圆形管道， 适用于小口径管道作业。 另外还有湖南的“集中空调通风系统清洗消毒机器人成套设备”等，这些设备不仅 适应国内的通风管道具体的条件，而且成本只是进口设备的一半左右。 中国的多个通风管道清洗机器人公司经过近两年的研究和应用，在设备的实用性以 及操作方便性等方面均耿得了一定的成绩，而且造价较低，能较好地适应国内管道清洗 工作需要；但我国的通风管道清洗机器人研究还处在起步阶段，存在许多的不足之处。 但不可否认，中央空调清洗机器人的研发及应用在中国将有极为一阔的自仃景。 1 2 中央空调清洗机器人所应具备的技术特点 空调管道清洗机器人应具备清扫管道、喷射清洗气雾或消毒药水或直接进行吸尘、 携带摄像机和传感器检测管道内状况的功能。要实现这些功能，机器人必须拥有的“器 官”包括：灵活的移动载体、多种清扫和清洗作业工具、c c d 摄像机及照明系统、通 信系统和操作盒以及一些辅助设备和设施。纵观国内外管道清洗机器人，其结构大同小 异，性能水平也没太大的差别：【2 】 1 ) 大多采用轮式或双履带式移动机构； 萄配有高速旋转的清扫机构，用来把管内的灰尘打落、清除。由于管道有矩形管 和圆管之分，所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷； 3 ) 装有c c d 摄像头及照明灯，用于探测管道内的状况，这在人所不能到达的管道 内部是必不可少的； 铆由于管道机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在 管道外进行操作； 5 ) 某些功能针对中国管道具体情况而设计。如具有升降及伸缩功能的手臂等。 4 北方工业大学硕士学位论文 1 3 本课题创新之处 我国的中央空调清洗机器人研究在控制器硬件与算法上普遍落后于国外，特别是使 用单片机作为机器人的控制器，不仅使整个电路系统复杂，而且在控制精度、算法上都 受到了限制，使用硬件式电路使得整个系统体积庞大，不适合小口径的管道作业；同 时，现在所采用的双履带结构的越障能力较差，无法适应国内通风管道内的复杂环境。 本课题正是突破上述传统方法，选用性能更强，更稳定的d s p 作为控制器核心进 行开发；并且对现有机器人的机械结构进行了改进，设计了4 履带轮式驱动系统，在保 持清扫机器人行走稳定性的同时，极大的提高了其越障能力! t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是种专门适用于电机控制的定点d s p 芯片，它将几种先进外设集 成存芯片内，尺寸小、重最轻、速度快、性能高、功耗低，能集成存机器人体内。所能 实现的软件包括机器人电动机状态值的采样与计算、控制算法的实施以及p w m 信号的 输出，此外还包括故障检测与保护、数据交换与通信等。其内部资源大大的简化了电机 控制系统的硬件结构，它的高速处理特性使得很多先进的控制算法得以实现。 另外，采用4 履带式行走机构，通过计算和实验，显著的提高了机器人的越障能 力，能获得更大的牵引力和更高的稳定性。 1 4 本文主要研究内容 本课题是北京市重点实验室研究课题。 主要研究内容包括： 1 ) 机器人4 履带驱动的机械设计。包括爬楼梯的力学原理，4 履带轮式驱动机构的 越障过程的分析，工程实际需要的转矩值的计算。 2 ) 机器人车轮控制系统的总体方案设计。包括系统工作原理、d s p 选型、电机选 型、主要功能器件介绍以及电机控制方案的设计等。 3 ) 机器人车轮控制系统的硬件设计。包括系统硬件原理图、d s p 最小系统设计、 a d 模块、电平转换模块、电机驱动模块、电机转速、电流双闭环结构、硬件抗干扰设 计等。 4 ) 机器人车轮控制系统的软件设计。包括电机调速原理、p w m 控制信号产生、 f 1 a s h 引导程序、增量式p 控制算法设计、模糊p m 仿真、主要程序流程等，并给出 了实验结果。 5 d 匕方工业大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章绪论介绍了国内外中央空调清洗机器人的研究与使用现状、本课题所依托的机 器人研究平台；以及本课题的可行性、创新之处和研究的主要内容。 2 四履带轮式驱动机械结构的选择 2 1 四履带式驱动结构的意义 中央空调在国内的使用率越来越高，但它们的通风系统很少进行过系统的清洗，已 经成为长期积累下来的卫生死角! 随着人们健康意识的提高，特别是非典之后，国家的 重视程度的增强，我国的中央空调清洗m 现了转机。而机器人作为清洗的关键设备，能 够进入到人不能及的死角，提高了工作效率，清洗效果明显。 目前，大多使用国外的清洗机器人，基本上都采用的是双履带行走机构，这种机器 人在越障高度上有较大的局限性，不能适应复杂的环境。针对这种情况，研制具有优良 越障性能的四履带管道清洗机器人，它吸收了履带机器人支撑面积大，不易打滑的特 点，并在结构上进行了改进，使机器人的越障能力有了较大的提高。 2 2 爬楼梯的力学原理 整个爬越过程可以分成两个阶段：第一阶段，先将两侧摆臂搭在台阶上行，然后同 时驱动三台电机，使车在行走机构和摆动机构的作用下，顺利地爬到第二个台阶，此时 车体实现了地面、第一、第二阶台阶处的三点接触；第二阶段，小车只需在行走机构的 作用下如同上坡地一样的缓缓的向上爬，由此可以看出，只要只要保证行走机构在结构 设计上至少能够同时与与两个台阶点接触，就能实现第二阶段运行的平稳性和可靠性。 2 3 工程转矩的计算 假设台阶是光滑的( 这样便于分析讨论) 摆臂的重心处于摆臂中心轴线上距大轮点 三分之一处，整个车体的重心位于车体几何中心处。由于摆臂末端的小带轮呈圆弧形而 且它于台阶之间为线接触，为避免发生打滑，应至少保证小带轮的几何中心处于接触点 的正上方。在爬越高度为日。的台阶时，即前轮刚离开地面的瞬间，整车和摆臂的受力 情况分别见图2 1 、图2 2 6 - 北方工业大学硕士学位论文 图2 1 爬台阶时整车受力图图2 2 爬台阶时摆臂受力图 如图2 1 所示，车体受自身重力g 地面给后轮的垂直反作用力，和牵引附着力 f ，以及台阶给摆臂的反作用力l ，将。分解成水平分力r 和垂直分力n ，则有 1 = c o s a ( 2 1 ) 式中，a 表示摆臂中心轴线与水平地面的央角。 由于两个摆臂是对称斫j 置，为简便起见，仅以一个摆臂为例进行受力分析。根据受 力平衡方程，可得 2g 总4 ( 2 2 ) 图2 2 中，根据力矩平衡方程，m = o ，有 r 2 氏一 ( 2 3 ) 式中，t 为加在摆臂上的驱动力矩，瓦为地面反作用力形成的阻力矩，为摆臂 重力形成的力矩。 将( 2 1 ) 式、( 2 2 ) 式代入( 2 3 ) 式可得 z 二1 厶一堕；旦l 一堕。g ( j l 一坐竖) ( 2 4 ) 1” 3 4 c o s 口 3 、4 c o s 口 3 式中，厶表示1 对d 2 点的力臂。 从( 2 4 ) 式可以看出，随着摆臂的转动和车体的前移厶和口逐渐减小，c o s 口逐渐 增大，那么，t 有减小的趋势，故此时驱动力矩取得最大值，在设计时，为便于分析计 算，可直接用l 代替此处厶 又在d 1 皱彳中， c o s 口；兰生( 2 5 ) ， 7 北方工业人学硕士学位论文 其中，厶；瓦ll ，；h 。+ 冬一冬 将式( 2 5 ) 及设计参数代入( 2 4 ) 式中可得z m 。因此，对于整车而言最大驱 动力矩为2 乙， 由于实际中台阶并非光滑，可将所得理论值l 。去除一个修正系数k ，就可得到工 程实际需要值乇。 东a x - 等 2 4 设计的效果 对于车辆爬楼梯作业的相关研究，既便于分析车辆的激动性能，又为原动机的选取 提供了理论依据，从而有力的推动了机器人的实用化研究。 1 ) 实用性：充分利用了已取得的实用化结果，增加了履带行走机构的思想，保证 了车体行驶的平稳性，同时便于协调控制，对不同路况的适应能力较强。 2 ) 功能性：采用摆臂结构，时期具备了良好的爬楼梯和高台的能力，提高了越障 性能。 3 ) 重量轻：不仅从结构上考虑，而且从材料方面加以分析，降低了车辆的重量。 4 ) 模块化：利用模块化的设计方法，提高了车辆的通用化程度，降低了机械系统 开发的复杂性，使系统设计、安装、测试以及维护等操作变得简易，从而大大提高了系 统的质量和效率。 3 清洗机器人车轮控制系统方案设计 本课题的最终目标是设计集成度高、功能强、运算速度快、性能可靠的清洗机器 人。其中首要任务是设计能够驱动机器人车轮电机运转的运动控制器，实现进退、转向 等动作，从而实现机器人本体的精确移动控制。并且要求实现复杂的控制算法及其它功 能，如与上位机的通信、产生p w m 脉冲信号等，并且只使用一个c p u 就能完成，这 就要求c p u 的运算速度块，运算精度高。 3 1 车轮控制系统控制器的选择 本机器人车轮控制系统的控制器部分是以控制芯片为核心，加上一些外围电路模块 组成的，控制芯片的性能对控制器的性能起着决定性的作用。结合本系统的性能要求， 对控制芯片有如下的要求：【3 】 8 北方t 业大学硕士学何论文 1 ) 存储器容量足够大。r o m 足以存放控制程序代码，凡气m 能足以存放计算的中 间结果及最终结果的数据。 2 ) 运算速度足够快。这有利于减小数字调速系统的采样周期，提高其品质指标。 3 ) 能方便产生p w m 波。这是因为被控对象为车轮直流电机，通过控制p w m 便 于实现直流电机的调速。 钔有a d 转换功能。因为本系统的电流反馈为模拟量，必须通过a ，d 转换器将其 转换为控制器能识别的数字量。 5 ) 带有霍尔器件的位置捕捉电路接口。由于本系统运用霍尔器件检测电机转子的 位置，所以芯片也最好有相应的接口电路。 为了满足本车轮控制系统的要求，需要选择合适的控制芯片。针对电机控制，可以 选择单片机、专用集成电路芯片和专门用于电机控制的d s p 芯片。 3 1 1d s p 与传统c p u 的比较 一般的单片机如8 0 c 5 1 系列，8 0 9 8 系列不论从速度和字长上都不能满足要求，而 且这些j 出片并非为电机控制所专门设计的，如果要实现电动机某些控制功能，需要增加 较多的外围元器件，导致必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统，容易出现调试 难度大、稳定性差等不良影响。 d s p ( d i 舀t a ls i 印a lp 似骼s i i l g ) 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行 数字信号处理运算的微处理器，主要应用于实时快速地实现各种信号处理算法。它集成 了丰富的功能外设电路在单个芯片上，减少外围元器件的个数，增加系统的可靠性，缩 小目标系统的体积；具有对时事任务很强的支持能力、功能较强的存储器保护性能、可 扩展的处理器结构以及功耗低等特点。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，利 用d s p 的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法。d s p 的 信号处理能力还可用来减少位置、速度、磁通等传感器。同样由于高运算速度，d s p 也 可有效地用于神经之网络和模糊逻辑化地运动控制系统。 在实际工程应用中，d s p 的高速能力还可以消除噪声污染和不精确的输入及反馈信 号数据，对要求速度较快的p w m 控制算法如空间矢量算法。用d s p 芯片可提高供电电 压的利用率，减少电动机电流中的谐波分量。【4 】因此，目标系统升级容易、扩展性、维 护性都很好。 d s p 以其完善的结构和优良的性能在通信、电子等领域的应用日益占有重要地位， 将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为其更新换代的决定因素。d s p 主要特 点如下：【7 】【8 】 9 北方工业人学硕+ 学位论文 1 ) 采用哈佛结构或改进的哈佛结构。哈佛结构的最大特点是计算机具有独立的数 据存储空间和程序存储空间，即将数据和程序分别存储在不同的存储器中，每个存储器 单独编址、独立访问。相应的系统中有独立的数据总线和程序总线，这样就允许c p u 同时执行取指令和取数据操作，从而提高了数据吞吐率和系统运算速度； 专用的硬件乘法器，使得一次或多次乘法运算可以在一个单指令周期内完成， 从而极大提高了d s p 的运算性能和运算速度； 3 1 多个功能单元：为了进一步提高速度，d s p 芯片内部设置了多个并行操作的功 能单元( 如算术逻辑单元、乘法器、地址产生器等) ； 4 ) 片内具有快速础，通常可通过独立地数据总线在两块中同时访问； 5 ) 指令系统流水线操作。使取指、译码和执行等操作可以并行执行在流水线操作 中，d s p 芯片可同时处理2 4 条指令，每条指令处丁二其执行过程中的不同状态； 特殊指令集和快速的指令周期； 刀强大的片内硬件配置：d s p 芯片内部除了d s p 核外，一般还集成了一些其他功 能外设，如通用串行口、事件管理器模块、c a n 总线控制模块、锁相环电路、a d 转 换模块以及实现在线仿真的j t a g 测试仿真口等。 d s p 为上述问题给出了很好地解决方案，完全满足本机器人的基本需求。通过与传 统c p u 的性能比较，很好的体现了d s p 的优势，如表3 1 所示。【5 】 表3 1d s p 与传统c i u 的比较 传统c p u d s p d s p 的优势 总线结构冯诺伊曼结构哈佛改进型哈佛结构消除总线瓶颈，运行速度更快 乘加运算多指令实现利用硬件乘法器，片j 单指令实现减少所需的指令周期数 寻址方式普通寻址 利用硬件数据指针实现逆序寻址大大减少f n 运算寻址时间 指令运行 顺序运行 “流水线”方式，允许程序与数据在单条指令执行时间相同的 方式存储器同时访问情况下，提高的运算速度 配置专用运算器，复合指令可以 指针无复合指令功能在寄存器、运算单元处理变量的 采用并行方式，提高了处理 同时，使用指针访问数据存储器 数据的能力 每次循环都将消利用硬件循环控制结构，实现无较好解决了高速运行和精简 循环控制 耗机器时间消耗循环控制程序的矛盾 多处理 无专用指令 提供具有很强同步机制的互锁指保证了高速运算中通信和结 系统 令果的完整 1 0 北方工业大学硕士学位论文 3 1 2d s p 芯片类型选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。我们在设计时，应根 据系统不同的应用场合和设计目标，选择与之相对应的d s p 芯片。选定了d s p 芯片， 就可以进一步设计其外围电路及系统的其他电路。 对于本课题所研究的清洗机器人平台而言，要满足机器人车体行走等控制与功能方 面的要求，机器人控制器的性能非常重要! 机器人系统的实时响应速度直接影响到机器 人精确运动控制的实现。 以往很多机器人控制器通常采用8 位或1 6 位的单片机作为微控制器。虽然这种微 控制器具有成本较低，开发难度小、硬件丌发剧期短等优点，但由于采用的是串行指 令，不可避免地存在采样周期长、芯片速度较慢、复杂的控制算法难于实现的特点。如 果采用低档次的c p u ( 如8 9 c 5 1 ) ，则根本没有硬件可生成p w m 波。因此为了获得更好 的机器人子系统性能，现在c p u 选择总的趋势是采用高性能和低功耗的高档控制器。 近年来随着电子工艺水平的提高和电机控制领域的需要，世界上著名的集成电路芯 片制造商纷纷推出各自的产品，常见的有i i l t e l 公司的s x c l 9 6 m c m d m h ，t i 公司的 1 m s 3 2 0 c 2 4 x 、c 2 8 x 系列，m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c 0 8 1 6 ，a d 公司的a d m c ) a 【】【系列 微控制器。 8 x c l 9 6 m c 是h l t e l 公司专门为电机控制所设计的一种1 6 位微控制器，采用c 1 9 6 内核( 寄存器一寄存器结构) 。当时钟频率为6 z 是，进行1 次1 6 b i t = ：1 6 b i t 运算需要 1 7 靴s ，含有4 8 8 字节蝴和4 k b 程序空间，1 个1 3 通道的a d 转换器，2 个1 6 位 定时器，1 个事件处理器阵列有4 路捕获比较模块和独立的4 路比较模块，1 个三相波 形发生器和1 个p w m 单元；m o t o m l a 公司的m 6 8 h c 0 8 单片机也是冯诺依曼o n n e 啪锄) 结构，在灭火机器人中得到应用。【9 j 但其功能比较简单，本课题不宜采用。 1 m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器方便灵活的特 点。具有以下特点：【1 0 】 1 l 改进型哈佛结构 1 m s 3 2 0 d s p 芯片在哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器 中，并被算术运算指令直接使用；二是指令存储在高速缓冲器( c a c h e ) ，当执行此指令 时，不需要再从存储器中读取指令，节约了1 个指令周期时间。 2 1 流水线 1 1 北方工业火学硕士学位论文 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理 器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 “级不等。采用流水线操作，处 理器可以并行处理器多条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。 3 ) 专用的硬件乘法器 在一般形式的f 瓜滤波器中，乘法是d s p 的重要组成部分。对每个滤波器抽头， 必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。在通用的微处 理器中，乘法指令是由一系列加法来实现，故需许多个指令周期来完成。相比而言， d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。 钔快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成电路的 优化设计，可使d s p 芯片的指令周期达到2 0 0 n s 以下。 1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列作为最优化控制的最佳d s p ，该系列提供了业界成本最低、涉及 最广的数字化解决方案，成为家电空调、h v a c 系统、厂房自动化系统、电机控制和电 力电子的首选控制器件。c 2 4 x x 是目前使用较广泛的1 6 位定点d s p 控制器，而c 2 8 x x 则 是目前最为先进的电机控制和工业控制的d s p 控制器。 3 1 3 本系统控制器选型 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 将一个高性能的d s p 核、大容量的片上存储器和专用的运动控制外 设电路( p w m 产生电路、可编程死区、捕获单元等) ，以及其他功能的外设电路( 1 6 通道 a d 转换单元、串行通信接口、c a n 控制器模块等) 集成在单芯片上，保持了传统微处 理器可编程、集成度高、灵活性、适应性好、升级方便等优点；同时，其内部的d s p 可提供更高的运算速度、运算精度和处理大量数据运算的能力。具体芯片介绍详见第三 章。下表介绍了f 2 8 1 2 与其他d s p 芯片的比较，综合本系统对控制芯片的要求和控制 芯片之间的对比分析，选择1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为清洗机器人的控制器。 1 2 北方上业大学硕士学位论文 最高频率( z ) 指令周期( n s ) 体系结构 内核 a l u ( b i t ) 程序数据空间 p m 控制 p w m 输出个数 a 他转换器 定时器 i o 口 捕获单元 表3 2 典型的电机控制器对照表 8 x c l 9 6 m c1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 61 5 0 2 5 0 - 3 0 0 06 6 7 冯诺依曼结构哈佛结构 c 1 9 6 1 5 0 m i p s 1 73 2 6 4 k b 1 8 k 4 1 6 位的s a r a m 1 6 k4 8 位的r o m 1 2 8 k + 1 6 位的f 1 a s h 波形发牛器和2 个两个事务管理器 通川p w m 模块 ( e v a 、e v b ) 1 41 6 1 个1 3 通道8 位、2 个8 通道1 2 位、 1 1 “s5 0 0 n s 2 个1 6 位 7 个 4 个 3 个3 2 位 5 6 个 6 个 a d m c 3 3 1 1 3 3 8 5 哈佛结构 2 6 m i p s 1 6 2 k t 2 4 位的程序r o m 2 k 。2 4 位的程序r a m 1 k * 1 6 位的数据r a m 1 6 位p w m 控制器、2 个8 位辅助p w m 输出 8 7 通道1 2 位、3 1 跏s 1 个1 6 位 2 4 个 无 3 2 车轮控制系统设计方案概述 机器人车轮控制系统方案设计主要由硬件方案和软件方案设计两个部分组成。其中 硬件部分主要包含主电路设计、控制器设计、驱动电路设计、电机转速检测、电流检测 设计、电源模块的设计及硬件电路抗干扰设计等。软件部分主要包括控制器初始化、 加转换程序、p w m 输出程序、转速环、电流环调节、以及主程序等的设计。 3 2 1 机器人研究平台机械构造 下面首先介绍本机器人的研究平台，其实物图如下图所示。 1 3 北方工业大学硕士学位论文 图3 1 机器人研究平台实物图 图3 2 机器人研究平台内部构造结构图 其中包括三组电机： 1 ) 车轮电机：由左轮与右轮两个电机组构成，每个电机组分别包含四个直流电 机，这四个电机并联接入一组电路，由同一组p w m 信号驱动，并且分别带动一个车 轮，同速同向运转。左右轮电机组之间采用p w m 差速驱动，实现机器人的转向操作。 2 ) 升降臂电机：采用直流调速电机，驱动机器人手臂做升降操作。 3 ) 转刷电机：固定在机器人升降手臂上，控制电路从升降臂中间通过，带动刷头 转动，进行清洁工作。 本论文的研究重点就是车轮电机的控制系统设计和机械结构的改进。 3 2 2 系统硬件设计方案 由2 1 节可知，本机器人车轮控制系统采用d s p 作为主控制器，由此可以构建机器 人运动控制系统，如下图所示： 一1 4 北方工业大学硕士学位论文 图3 3 系统运动控制模块原理图 1 1 控制器模块设计 控制器模块设计主要是组成d s p 最小系统，包括时钟、复位电路、外部存储器电 路、j t a g 接口等。d s p 强大的功能使其能满足嵌入式智能控制单元的设计要求，处理 速度快且具有大量可编程的外设接口，能灵活实现与外界通信。 约通信模块设计 控制器通过串行口或u s b 口从上位机读取控制指令，并向上位机发送检测信息与 故障信号，实现控制程序的在线调试。 3 ) 信号隔离模块设计 从控制器接收车轮电机p w m 驱动控制信号，并通过光电隔离，实现了对控制器的 隔离保护，提高了电路的抗干扰性与可靠性。 钔功率驱动模块设计 机器人的电机驱动模块具有欠压保护，过流保护和故障输出功能。大大的简化了电 路的设计，增强了系统的可靠性。功率元件主要由与非门、电阻、晶体管、续流二极管 组成，对从信号隔离模块输入的控制信号进行运算放大，转换成电机的驱动信号，从而 驱动直流电机运转。 5 1 检测模块设计 该模块主要采集反馈信号，由电机转速检测和电流检测模块组成。 电机测速部分由一个霍尔开关和信号放大电路组成。霍尔开关采集转速值，经整 形、放大输出，直接输入到d s p 的捕获引脚，捕获单元在捕获引脚上出现跳变时使能 触发，通过计数定时器对负脉冲计数，得出电机转速信号，从而计算出电机的转速。 电流检测的方法有电阻检测、霍尔电流传感器等各种不同的方法，本系统采用了霍 尔电流传感器检测。将电流信号转变成电压信号再经过放大和滤波以后将反馈信号变化 为0 3 v 的电压信号送到d s p 的a d 采样单元。 国电源模块 1 5 北方工业大学硕士学位论文 该模块包括电平转换电路，外部电源等。主要是为控制器模块、直流电机以及功率 驱动模块供电。 3 2 3 系统软件设计方案 机器人车轮控制系统软件的设计任务就是根据硬件设计来规划程序流程，编写程序 实现机器人运动。本系统的程序基本可以分为四个模块，如下图所示： 系统初始化模块 l 定揪服 串口通信中 - l 上t f 鼙序模块i 断j j i ) 2 务模块 图3 4 系统群序模块结构图 1 ) 系统初始化模块 此模块丰要完成对c p u 的初始设置，变量、寄存器初始化，i o 初始化等，对相关 的元器件也要完成初始化任务。 劲主程序模块 系统初始化后，系统运行主程序。并且在响应中断，一旦有中断请求，即转入中断 服务程序，中断程序结束后再返回主程序模块，等待下一个中断到来。 3 ) 定时器中断服务模块 用以输出p w m 脉冲信号，并输出到加旧，控制电机运转。 4 ) 串口通信中断模块 负责接收上位机传送来的速度调节、运动方式指令，并将指令储存。 3 2 4 以d s p 为核心的系统设计过程 总的来说，d s p 系统有着非常好的正规设计方法。下图为d s p 系统设计的一般过 程：同 1 6 北方上业大学硕士学位论文 图3 5d s p 系统殴计流崔图 从以上流程图可知，在设计d s p 系统时，必须根据应用系统的目标，确定系统的性 能指标。d s p 系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面，硬件设计首先要根据系统 运算量的大小，对运算精度的要求、系统成本以及体积功耗等要求，选择合适的d s p 芯 片，然后设计d s p 的外围电路及其他电路；