基于CAN總線的分布式機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

圖3控制器硬件電路原理簡圖

2.1 主處理器芯片

　　本設(shè)計核心控制芯片采用Motorola DSP56F807，該芯片混合了DSP 的高速運算能力與MCU 的控制特性于一體，提供了許多專用于電動機控制的外設(shè)，包括兩個脈寬調(diào)制模塊（PWMA、PWMB）、2個相位檢測器模塊（quadrature decoder）、12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、4個定時器模塊、通訊外設(shè)模塊（SCI、SPI、CAN）等，因此非常適合于對實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)運動的直流無刷電機進行數(shù)字控制[4]。

2.2 CAN接口電路

　　DSP56F807芯片內(nèi)集成了CAN控制器，要完成數(shù)據(jù)幀的收發(fā)還需外加CAN驅(qū)動器芯片，本設(shè)計采用Philips公司的PCA82C250為CAN驅(qū)動器。為了增強抗外部干擾，在DSP56F807的MSCAN_TX和MSCAN_RX引腳與CAN驅(qū)動器之間加兩個高速光電耦合器6N137。

2.3 電機驅(qū)動電路

　　電機驅(qū)動采用Motorola公司的MPM3003，它內(nèi)部由上橋臂的3個P-溝道功率型MOSFET 和下橋臂的3個N-溝道功率型MOSFET組成三相橋式電路，是理想的伺服電機驅(qū)動集成電路芯片[5]。因PWM輸出電壓不能直接推動MPM3003，在PWM輸出口和MPM3003之間加一個TTL到CMOS轉(zhuǎn)換芯片MC14504B。

2.4 電源電路

　　控制器上同時需要5.0V 和3.3V 兩種電源。外部采用的是直流24V電源，通過MAX724將24V 穩(wěn)壓到5.0V，再通過MAX604將5.0V穩(wěn)壓到3.3V。為了減少電磁干擾，使用磁珠隔離3.3V 的數(shù)字電源和模擬電源。

　　因篇幅有限，其它的電路模塊不再一一介紹。

3 控制器軟件設(shè)計

　　控制器軟件設(shè)計是在Codewarrior6.0集成開發(fā)環(huán)境下進行的，采用模塊化設(shè)計，可分為初始化模塊、主循環(huán)模塊和中斷子程序模塊，整個控制功能由各中斷子程序?qū)崿F(xiàn)，如圖4所示。初始化模塊的作用是初始化DSP 及控制參數(shù)，主循環(huán)模塊是一個死循環(huán)，主要是查詢是否有中斷產(chǎn)生，如果有中斷則轉(zhuǎn)而去執(zhí)行相應的中斷服務(wù)子程序。數(shù)字PID控制子程序是實現(xiàn)控制功能的主體，完成對關(guān)節(jié)的位置、速度PID控制，通過定時器中斷實現(xiàn)。

圖4控制器軟件結(jié)構(gòu)簡圖

　　對于數(shù)字PID控制子程序中的PID算法，采用了一種改進的變速積分PID算法，有效地克服了常規(guī)PID算法中出現(xiàn)積分飽和時，造成超調(diào)量增加，使調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞的缺點。變速積分法的基本思想是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應，偏差大時，減弱積分作用，反之則加強。

　　常規(guī)PID算法數(shù)字離散化為：

式中，KP,KI,KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù);E（k）,E（k-1）分別為第k次和k-1次的期望偏差值;U（k）為第k次的調(diào)節(jié)器輸出。

　　改進后的變速積分PID算法為：

　f[E（k）]是E（k）的函數(shù)，當|E（k）|≤B時，進行常規(guī)的PID控制;當|E（k）|>（A+B）后，不再進行積分項的累加;而當B|E（k）|>（A+B）時，f[E（k）]隨E（k）的減小而增大,累加速度加快。其中，A，B為分離區(qū)間。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計的機器人分布式控制系統(tǒng)，采用CAN總線作為通信方式，和過去機器人控制中常用的RS485總線相比具有通訊穩(wěn)定可靠、實時性高等優(yōu)點。在下位關(guān)節(jié)控制器中選用了Motorola DSP56F807作為控制芯片，既能方便地利用豐富的外圍模塊實現(xiàn)控制功能，又能以較快的運算速度實現(xiàn)復雜的控制算法，克服了過去利用MCU作為控制芯片時，難以實現(xiàn)復雜的控制算法的缺點。在控制器軟件中采用了改進的變速積分PID算法，對關(guān)節(jié)位置、速度進行數(shù)字PID控制。該控制系統(tǒng)即插即用，功能擴展和故障處理方便;連線簡單，過去對6DOF的機械手進行控制,需118根線纜（包括電機線、傳感器線和其它開關(guān)量控制線），現(xiàn)在只需一根雙絞線，外觀也很美觀;另外，各關(guān)節(jié)控制器直接分布在控制現(xiàn)場，使模擬信號傳輸距離明顯縮短，有效地改善了抗干擾能力。