基于DSP的雙足機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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2 電機(jī)調(diào)速原理
系統(tǒng)用PWM波形給出無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，即利用電路一周期內(nèi)的占空比變化，達(dá)到平均電壓值的改變，以對應(yīng)電機(jī)不同的速度值。
在TMS320F2812中可以通過配置定時(shí)周期寄存器的周期值和比較單元的比較值來產(chǎn)生PWM，周期值用于產(chǎn)生PWM波的頻率，比較值用于產(chǎn)生PWM波的脈寬，改變比較值可以改變PWM波的占空比，改變周期值可以改變PWM波的頻率。以事件管理器A為例，單路PWM信號的產(chǎn)生過程如下：
定時(shí)器1作為產(chǎn)生PWM信號的時(shí)基，通過控制寄存器T1CON和周期寄存器TlPR設(shè)置時(shí)鐘周期，通過寄存器COMCONA設(shè)置比較單元的各個參數(shù)，產(chǎn)生出三角波信號，在寄存器CMPRl和ACTRA中分別設(shè)置比較值和比較輸出方式，設(shè)定的比較值實(shí)時(shí)與三角波信號比較，得到相應(yīng)占空比的PWM信號。將定時(shí)器計(jì)數(shù)器T1CNT設(shè)置為連續(xù)增計(jì)數(shù)方式時(shí)，產(chǎn)生非對稱PWM波形，設(shè)定為連續(xù)增減計(jì)數(shù)方式時(shí)，可以得到對稱的PWM波形。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/162977.htm
圖2所示是對稱PWM波形產(chǎn)生的原理：若PWM輸出為高電平有效，則當(dāng)三角波的當(dāng)前值小于比較值時(shí)輸出為低電平，當(dāng)三角波的當(dāng)前值大于比較值時(shí)輸出為高電平；低電平有效時(shí)，則反之。
如果在寄存器DBTCONx中設(shè)置了死區(qū)時(shí)間值，則相應(yīng)事件管理器所有PWM輸出通道使用同一個死區(qū)值。由于加入了死區(qū)，PWM波高電平脈沖的寬度減少了一個死區(qū)時(shí)間，但是周期沒有變化，所以高有效和低有效的PWM波形的占空比可分別用式(1)和(2)來計(jì)算。
通過調(diào)節(jié)占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓，用這種無級連續(xù)調(diào)節(jié)的輸出電壓可以給出速度信息，因此可以通過調(diào)整PWM信號有效電平的寬度達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。
3 硬件設(shè)計(jì)
整個硬件電路包括DSP芯片TMS320F2812、電源、JTAG仿真接口、通訊、RAM、PWM、A／D、I／O擴(kuò)展、備用端口、電機(jī)驅(qū)動和光電信號處理等模塊，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
雙足機(jī)器人總電源采用24 V直流電源，為了滿足DSP及外圍電路的需要，需將電源轉(zhuǎn)換成5 V，3．3 V和1．8 V。首先使用DC-DC變換器將24 V轉(zhuǎn)換成5 V，再選用TPS767D318電源轉(zhuǎn)換芯片將5 V轉(zhuǎn)換成1．8 V和3．3 V。該芯片專門針對DSP設(shè)備提供穩(wěn)壓電源，為雙電源輸出，每路電源的最大輸出電流為1 A，此外該芯片的電壓漂移非常低，在最大輸出電流為1 A的情況下為350 mV，每路輸出還有過熱保護(hù)、復(fù)位和監(jiān)控輸出電壓等功能，能滿足系統(tǒng)對電源性能的要求。
系統(tǒng)特別留有JTAG接口電路，使控制器可以通過TDS510仿真器連接到計(jì)算機(jī)，其仿真信號采用JTAG標(biāo)準(zhǔn)IEEEll49．1，使用雙列14腳的插座，并將DSP上的EMU0和EMU1上拉連接至Vcc。
TMS320F2812自身集成CAN總線的控制模塊，所以在外圍電路中加入CAN總線收發(fā)器SN65HVD251D即可實(shí)現(xiàn)DSP與CAN總線的通信功能。為了確保在CAN總線傳輸信號的完整性，設(shè)計(jì)時(shí)在CAN總線的兩根傳輸線之間加上150 Ω的電阻進(jìn)行阻抗匹配，可以提高CAN總線傳輸信號的精度。
利用XINTF的區(qū)域O和區(qū)域1擴(kuò)展一塊存儲容量為(64K×16)b的RAM存儲器IS61LV6416-10T。其數(shù)據(jù)存取時(shí)間為10 ns，能滿足高速運(yùn)行的需要，工作電壓為3．3 V，與DSP工作電壓一致，無需電平轉(zhuǎn)換電路。
此外，DSP控制系統(tǒng)中的I／0端口電壓絕大部分為3．3 V，而外部信號一般為5 V，因此需要將外部5 V信號轉(zhuǎn)換為符合DSP芯片要求的3．3 V信號，系統(tǒng)使用總線驅(qū)動器74LVX4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
電機(jī)驅(qū)動電路采用全橋驅(qū)動三相無刷直流電機(jī)的控制方式，由于要獨(dú)立控制5個電機(jī)，系統(tǒng)需按照前面的原理由DSP事件管理器生成PWM，并用其波形占空比給出轉(zhuǎn)速信息，該信息結(jié)合轉(zhuǎn)向、制動等信號通過控制電路轉(zhuǎn)換后進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速，這里使用三相無刷直流電機(jī)控制器MC33035。驅(qū)動電機(jī)時(shí)，MC33035的輸出信號施加到三相橋功率電路MPM3003上，決定功率開關(guān)器件開關(guān)頻度及換流器換相時(shí)機(jī)，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波，根據(jù)速度電壓MC33035可改變底部半橋輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給繞組的平均電壓，從而控制轉(zhuǎn)速。
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