基于DSP仿人机器人关节控制器电路设计 控制系统, 机器人, 控制器, 稳定性, 可靠性

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仿人机器人具有可移动性，具有很多的自由度，包括双臂、颈部、腰部、双腿等，可以完成更复杂的任务，这些关节要连接在一起，进行统一的协调控制，就对控制系统的可靠性、实时性提出了更高的要求，以往采用的集中控制系统，控制功能高度集中。局部的故障就可能造成系统的整体失效，降低了系统的可靠性和稳定性，因此考虑采用分布式的控制系统来实现系统的控制功能。
电机驱动器的接口电路
驱动器的控制模式可以分为两种：速度控制模式和位置控制模式(通常用电位器作为电机的位置传感器)。这里采用它的速度控制模式，输入的指令信号是0～10 V的模拟量。因此需要用D/A转换电路，把DSP输出的数字量给定转变为模拟信号，电路图如图3所示。DAC7621为12 b并行输入的D/A转换器，它内置参考源，输出范围：0～4.095 V。它的12位输入接DSP数据总线中的D0到D11。它的片选输入管脚可以接DSP的I/O控制线/IS。为了得到0～10 V的模拟信号，还要利用LM358中的一片运算放大器构成的同相比例放大电路，把0～4.095 V的信号放大2.5倍。


如果驱动和控制器不进行隔离，尖峰将破坏控制器电路中的器件，例如RAM。因此，设计了基于线形光耦HCNR201的隔离电路，如图4所示。


线形光耦HCNR201 只能起到隔离电流的关系，且输入电流和输出电流呈线性关系。U6B是图3芯片LM358中的另外一片运算放大器，它将输入0～10 V电压转换成20 mA以内的电流信号，输入线形光耦HC-NR201。HCNR201输出电流再经过一个由单电源轨到轨运放AD8519构成的电压跟随器转换成0～10 V电压信号，作为驱动器的模拟信号输入。显然，HCNR201两侧电路应采用不同的电源和地。LM358中的两片运算放大器采用控制器输入的12 V电源供电，而AD8519则采用驱动器输入端提供的10 V电压供电。
增量式编码器信号处理电路
增量式编码器信号处理电路如图5所示。J8是MR编码器的信号输入接口，采用AM26C32把MR编码器输出三个通道的RS 422差分信号转换成TTL电平，得到A，B，Z三路信号。


RS 485总线通信电路
RS 485总线是一种通信总线，TMS320F240 DSP芯片本身不具备RS 485总线接口，采用两个485通信芯片MAX485可以的把TMS320F240的串口RXD和TXD的TTL电平转换为RS 485电平，TMS320F240DSP的RXD和TXD引脚分别连接到第一片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引脚。 TMS320F240 DSP　的SPISIMO和SPISOMI连接到MAX485的使能引脚RE，用于控制TMS320F240 DSP芯片的数据发送口挂接到总线上或和总线分离，电路如图6所示。


考虑到机械臂控制系统控制算法的计算量以及多轴协调控制等问题，采用基于RS 485总线的分布式控制的体系结构，见图所示。运动规划算法由主计算机来实现，同时主计算机还将通过RS 485总线与各关节控制器通信，负责各关节控制器的协调工作。每个关节控制器和一台电机、驱动器、检测反馈装置等构成一个位置伺服系统，负责机械臂某一个关节变量的具体控制任务。

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