基于DSP小型地面移动机器人运动控制系统设计

摘要摘要近年来，移动机器人应用范围越来越广泛，已经被用于人类生活的各个领域，而应用移动机器人完成侦查、排爆及消防等危险任务已经成为各国研究的重点。

随着移动机器人的智能化程度越来越高，对机器人控制器的要求也在不断提高，这就要求控制器具有良好的实时性和快速响应能力。

本次设计了一款全数字控制的小型地面移动机器人运动控制器，具有控制、功率驱动及各种保护等功能。

采用ARM9作为运动控制器的主控芯片，DSP作为分布式控制芯片，重点设计了DSP控制器的硬件电路。

这些电路包括DSP最小系统、电机驱动、电机电流检测、电机位置检测及电机过压欠压保护，并对其主要电路进行了详细的分析。

ARM主控制器与DSP分布式控制器之间利用CAN总线进行通信。

采用速度环及电流环的双闭环控制，并且引入积分分离PID控制作为速度调节器的控制算法，对传统的PID控制进行了改进。

在设计硬件电路和控制算法基础之上，完成了DSP控制软件的设计。

软件设计主要包括主程序设计及各种中断子程序设计。

中断子程序又包括电机换相及速度计算子程序、PWM输出子程序、速度控制子程序、CAN总线通信子程序等。

关键词：移动机器人，ARM9，DSP运动控制器，无刷直流电机，PWMIABSTRACTAbstractIn present, the mobile robot has been aplied more and more widely. It has been used in all human life. It has become the focus study to complete the dangerous tasks such as investigation, remove exploder and fire protection with mobile robot. With the mobile robot becoming more and more intelligent, the requirment of motion controller has been improved increasingly. It requires the controller with good real-time and rapid response capacity. The study had designed a motion controller of mobile robot with fully digital control system. It had the function of control, power driver and various overload protection.The ARM9processor was used in the motion controller as main command chip and DSP chips as the distributed controllers. The hardware circuits of DSP controller had been designed. It included the least control circuit of DSP, the circuit of motor drive, check current, position detection of motor, over-voltage and under-voltage protection. The main circuits had been analyzed detailed. The main processor ARM9 and distributed processors DSP using CAN bus communicate with each other. The motion controller had double closed loops which were speed loop and current loop. The traditional PID control had been improved. The integral separation PID control had been used in the speed reguator.Based on the hardware circuits and the control arithmetic, the software design of the DSP controller had been completed. It included the main program and various subprograms of interrupt. The program of motor communication, speed calculation, PWM output, speed control, communication with CAN and so on were also included in the subprogram.Key words: Mobile Robot, ARM9, DSP Motion Controller, BLDCM, PWMII目录摘要 (I)ABSTRACT ................................................................................................................. I I 目录 ......................................................................................................................... I II 第一章绪论 . (1)1.1课题设计的意义 (1)1.2 课题来源及国内外研究现状 (1)1.3 课题设计的主要内容 (2)第二章控制系统总体概述 (3)2.1 移动机器人运动控制系统总体结构 (3)2.2 电机的选择 (4)2.2.1 步进电机、有刷直流电机及无刷直流电机比较 (4)2.2.2 无刷直流电机结构及工作原理 (5)2.2.3 无刷直流电机的数学模型 (7)第三章控制系统硬件电路设计 (10)3.1 控制系统电源设计 (10)3.1.1 驱动板电源设计 (10)3.1.2 DSP供电电源专用芯片的匹配电源设计 (11)3.2 ARM9主处理器概述及其与CAN总线的连接简介 (12)3.2.1 ARM9处理器概述 (12)3.2.2 ARM9处理器S3C2410X与CAN总线的连接 (12)3.3 DSP分布式控制器与DSP最小系统设计 (13)3.3.1 TMS320F2812 DSP芯片简介 (14)3.3.2 DSP最小系统设计 (15)3.4 CAN功能模块硬件设计 (20)3.5 PWM信号隔离及驱动电路 (22)3.6 主电路设计 (23)3.7 电流检测电路设计 (25)3.8 转速及转子位置检测电路设计 (26)III第四章控制系统软件设计 (28)4.1 软件开发环境 (28)4.2 主程序设计 (28)4.3 中断服务程序设计 (30)4.3.1中断捕获模块 (30)4.3.2 PWM产生模块 (32)4.3.3 定时器1中断模块 (34)4.3.4电机保护中断模块 (37)4.4 CAN总线接口通信程序设计 (38)总结 (40)参考文献 (41)致谢 (42)附录 (43)IV第一章绪论1.1课题设计的意义机器人是一个正在蓬勃发展的重要领域。

它集精密仪器、光学、电子遥感技术、自动控制技术、信息技术、计算机技术之大成，形成了一门综合的新技术。

机器人技术的出现和发展，使传统工业生产的面貌发生了根本变化，对人类的社会生活产生了重大影响。

移动机器人是集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，是机器人学的一个重要分支。

具体来讲，移动机器人就是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在一定范围内完成特定任务的远动物体[1]。

进入21世纪以来，各种恐怖事件不断发生，迫切需要具有自主运动能力的移动机器人的出现，运用移动机器人完成侦查、排爆及消防等任务。

近几年发生的几场局部战争中，机器人都发挥了很大的作用。

移动机器人越来越多的运用于侦查地形及可疑爆炸物、拆除炸弹等场合。

所以，研制能代替人类在危险、恶劣环境下工作的具有一定自主能力的移动机器人成为当前国内外研究的热点。

而移动机器人运动控制器则是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，它是移动机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。

随着移动机器人的智能化程度越来越高，对机器人运动控制器的性能要求也就越来越高。

特别是随着信息化的进程和计算机科学与技术、信息处理理论与方法等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，移动机器人对精度、数据处理速度和实时性的要求也越来越高，这就迫切需要更加强大的运动控制器的出现[2]。

因此，如果能设计出一款适合于特定机器人的运动控制器，它能提升机器人运动控制的实时性和准确性，同时也能实现移动机器人复杂的控制算法，那将对推动机器人的发展非常重要。

1.2 课题来源及国内外研究现状本课题来源于科研，根据任务书的具体要求，结合当前机器人的发展现状，研究和开发出一种自主移动机器人。

项目的具体要求为：采用ARM9作为主控制器，TI公司的TMS320F2812芯片为分布式控制器，机器人的主要技术指标为：重量≤50kg；工作时间≥5h；- 1 -行程≥2km；最大速度≥3km/h；爬坡能力≥30°；跨越台阶高度≥15cm。

近年来，随着芯片技术的飞速发展，国外以DSP或FPGA作为芯片处理器的运动控制器越来越成为发展趋势。

这类控制器用DSP取代传统的单片机，充分利用了DSP的高速数据处理功能、FPGA的超强逻辑处理能力，使得控制器具有高速信号处理能力和高效的通讯能力，并具有高集成度及高可靠性。

在工业市场需求的推动下，大部分DSP运动控制器都是针对数控机床或工业机器人，即主要应用于步进电机，而应用于三相电机控制的DSP控制器普及程度还不够广。

但随着对三相电机控制技术需求的增加，国外对这方面的研究已经取得很大突破。

国内的DSP运动控制器起步较晚，之前一般都用单片机或电机专用芯片来构建控制器。

直到20世纪90年代，国外各DSP厂家在中国建立第三方。