一种超声电机驱动的一种指纹控制

一种超声电机驱动的一种指纹控制

1探索多维手操作由于工程应用的迫切需要和机器人技术的发展，近年来，多手是机器人系统的重要组成部分，已成为研究领域，并逐渐发展成为一个特殊的研究领域。主从控制是应用最广泛的一种灵巧手操作方式,人手通过某种设备给出多指手的期望位姿、速度等,通过控制系统使多指手跟踪这些给定值,从而在人的控制下使灵巧手完成具体作业任务。从手的理想位姿由主从手指尖位置的映射关系决定。操作者佩戴合适的主手装置,可实现从手的多种动作。2系统的硬件组成灵巧手的控制系统是其能适应性地完成各种作业任务的关键。传统的机械手(包括灵巧手)通常采用离线编程或示教的方法进行控制,灵巧手完成的是事先规定好的工作。在非结构化环境中,无法靠灵巧手完全适应性地完成各种作业任务,往往需要人机配合,由人进行必要的监控和决策,并用人机交互手段干预灵巧手的动作。笔者构建的主从控制系统是由操作者、人机接口、灵巧手及其控制系统组成的。人机接口采集人手的运动信息,将其转换为灵巧手的运动指令,控制器根据人机接口输出的指令对灵巧手驱动器进行位置控制。这种控制策略使得人手能够实时控制灵巧手的运动,大大增加了多关节灵巧手的适应性和灵活性。因此,整个控制系统需要实现对主、从手各关节位置信息的采集和处理以及实现对超声电机的有效控制,其硬件电路包括DSP控制器及其外围电路,外围电路主要由以下几个模块构成:电源电路、译码电路、传感器信号采集电路、超声电机运动控制电路及超声电机调速电路。控制系统的硬件总体设计方案如图1所示。控制器是灵巧手控制系统的核心部分,它完成灵巧手全部关节的运动控制算法以及超声电机三个控制量(启停、正反转、速度)的给定,实现灵巧手各关节协调运动,因此控制器要有较强的运算能力和较快的处理速度,以满足控制系统的实时性要求,同时还要有较大的程序存储空间以满足灵巧手的软件编程。主手(主操作手)和从手(灵巧手)的信号采集电路作为一种人机接口在控制系统中也起着很重要的作用,它将操作者给出的运动规划传递给灵巧手,并将灵巧手的执行情况反馈给操作者。超声电机的驱动器是控制电机运转性能的直接装置,灵巧手中所用的超声电机的驱动器是南京航空航天大学精密驱动研究所自主研制的,它采用推挽型逆变功放电路,能将模拟直流电压转换成频率20kHz以上的两相正弦交流信号来驱动电机转动,电路简单可靠。3浮点运算器模块根据几种控制器的比较结果,TI公司的TMS320F2812是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器,是目前控制领域最先进的处理器之一。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xDSP内核,可提供浮点数学函数库,并在定点处理器上方便地实现浮点运算。器件上集成多种先进的外设,为电机的运动控制提供良好的平台。开发板SEED-DEC2812使用TMS320F2812DSP作为主处理器,主要集成的外设有:片外64K仿真用SRAM、1个16通道12位的A/D转换器、针对电机的两个事件管理器模块(PWM模块)、两个通用异步串口UART、一个增强型的CAN总线控制器、采用CY7C68001芯片实现的USB2.0接口、一个四通道12位的D/A转换器和串行EEPROM+RTC实时时钟等,能够应用在电机、电力等工业控制领域。笔者所设计的控制系统使用到TMS320F2812DSP及其片内外设,包括外部扩展接口XINTF、GPIO、EV等模块。4关节节力器控制电路控制器的外围电路由译码电路、关节信息采集电路、灵巧手关节运动控制电路组成。关节运动控制电路又包括超声电机的起停和正反转电路以及超声电机调速电路。图2为灵巧手控制系统电路板,可以实现对主、从手各关节角度信息的采集和处理以及实现对超声电机的有效控制。4.1苯二甲酰胺a/d、d/a芯片片选控制对于拥有较多片外外设的控制系统,一般需要构建一个外设选通地址译码电路。灵巧手控制器的外设选通地址译码电路由译码器74LS154来实现。将DSP的高位地址线A12～A15经过译码器译码后作为外设的片选控制,实现对外围A/D、D/A芯片的地址译码选通。如图3所示,引脚A、B、C、D分别接DSP的A12、A13、A14、A154根地址线,作为74LS154的译码输入,输出端Y0～Y8作为6片A/D芯片和3片D/A芯片的片选信号。F2812的外部接口有3个片选线,这3个片选线映射到5块固定的存储空间,当访问外设接口的这些存储空间时,与该存储空间对应的片选信号变为有效的低电平。G1、G2接片选线XZCS2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯XΖCS2¯,其地址空间映射到DSP的Zone2存储区域:0x080000～0x088FFF。各个手指分配的存储空间如表1、2所示。4.2采样电路设计关节信息采集电路用来采样主手和从手关节的位置信号,并将其转换成数字量送入DSP进行处理。由于F2812片上集成的ADC模块采样精度不够,所以未予以使用,而是外扩了TI公司的4通道12位A/D转换器ADS7842。该芯片具有功耗低、速度快、精度高等优点,由一个12位的A/D转换器、一个采样/保持电路、四选一模拟多路开关、微处理器接口和三态驱动器组成,每次只能采样一个通道。笔者所设计的信号采集电路需要采样主操作手和灵巧手共24个关节的位置信息,需要6片ADS7842来实现,灵巧手和主手各个关节的采样通道地址如表3所示。通道CHA0～CHA3分别对应灵巧手拇指的掌腕关节TMⅡ、掌腕关节TMⅠ、掌指关节MP和远指关节IP,CHE0～CHE3同样按顺序分别对应主操作手拇指的这四个关节;通道CHB0～CHB3和CHF0～CHF3分别对应灵巧手和主操作手食指的掌指关节MPⅡ、掌指关节MPⅠ、近端指间关节PIP、远端指间关节DIP;通道CHC0～CHC3和CHG0～CHG3分别对应灵巧手和主操作手中指的MPⅡ关节、MPⅠ关节、PIP关节和DIP关节。4.3cd40109芯片电路设计灵巧手关节的运动包括起停和正反转,是通过控制超声电机的运动来实现的。控制信号由DSP的通用I/O口提供,每个关节使用两个GPIO口的高、低电平信号分别实现电机的起停和正反转。所以整个灵巧手三个手指12个电机的起停、正反转信号需要24个I/O口,使用到F2812DSP的通用I/O口GPIOA0～GPIOA15、GPIOB8～GPIOB15。各个关节的运动与控制信号的对应关系如表4所示。由于DSPI/O口的信号电平为3.3V,而超声电机需要9V的驱动信号,所以要采用CD40109芯片进行电平转换,将I/O口输出的信号电平提升到9V后再送至驱动器。CD40109芯片的功能表如表5所示。当ENABLEA、B、C、D逻辑值为1时,就可以通过DSP的I/O口实现对超声电机的起停和正反转的控制:当I/O口输出低电平0V时,A、B、C、D的逻辑值为0,E、F、G、H引脚输出低电平0V;当I/O口输出高电平3.3V时,A、B、C、D的逻辑值为1,E、F、G、H引脚就输出高电平9V。灵巧手三个手指的控制中共用到了6片CD40109,每片CD40109可以对4个控制信号进行电平转换,控制两个电机。在软件中可通过编程规定:当控制启停的I/O口输出高电平时电机起动,输出低电平时电机停止;当控制正反转的I/O口输出高电平时电机正转,输出低电平时电机反转。4.4提升电机的温度分布根据行波型旋转超声电机的运动机理,其基本调速方式有调压调速、调频调速和调相调速,相应的控制量分别为电压幅值、频率和相位差。调压调速是通过调节压电陶瓷元件的激励电压,改变行波的幅值来调节转速;调频调速的原理是调节电机激励信号的频率可以控制定子的共振状态,从而实现超声电机的调速;调相调速是通过改变电机两相工作电压之间的相位差,进而改变定子表面质点的椭圆运动轨迹来进行调速。灵巧手的伺服控制系统需要对超声电机的速度进行控制,较适合的速度控制方式是频率调节。因此在研究中笔者采用调频调速法,即通过改变驱动器上压控振荡器输入端的电压,进而改变其输出的PWM波的频率,从而实现超声电机的速度控制。给定超声电机期望的速度值后,DSP先根据超声电机的调频电压-速度关系曲线计算出对应的调频电压值,D/A芯片再将该数字量转换为模拟电压加到驱动器上,即可实现调速。5系统的实时性和较快的处理速度本多指灵巧手的