CN101045299A - 一种基于dsp的模块化机器人独立关节控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器。其技术方案是：电源转换单元1分别与CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9连接，DSP芯片3分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8连接，控制驱动单元6分别与自我保护单元7、直流电机5、直流电源接口9连接，信息采集反馈单元4与直流电机5轴连接。该控制器的软件程序集成在DSP芯片3中。本发明结构简单、运算速度快、通讯效率高、能够实现关节精确定位、复位以及零位置检测、具有自我保护功能、扩展方便。

Description

一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器

技术领域

本发明属于机器人运动控制技术领域。具体涉及一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器。

背景技术

随着机器人作业环境及作业任务的日趋复杂，机器人关节控制器正朝着模块化、网络化、计算速度快、功能完善和结构简单的方向发展。

将模块化的思想应用到机器人手臂可满足其扩展性的要求(满翠华，范迅.5自由度机器人手臂研究.制造业自动化，2006(10)：75～77)，但该系统以PIC单片机为主控制处理器，CPU负荷大，处理速度不够理想，在一定程度上制约了机器人手臂处理复杂工作的能力。

机器人控制系统中引入开放式控制思想，硬件平台由PC104工控机和PMAC2-104多轴运动控制卡组成，采用分层控制作为控制系统的体系结构(方建军.采摘机器人开放式控制系统设计.农业机械学报，2005(36)：83～86)。但由PMAC2-104多轴运动控制卡控制机器人所有关节模块，当机器人自由度较多时，其控制的实时性受到影响，也不太利于系统扩展。

用DSP芯片作为机器人各自由度模块的主控制芯片，采用交流伺服电机驱动，(刘鹏飞，韩九强，周挺.基于多DSP的六自由度机器人伺服控制系统.微电子学与计算机，2005(8)；5～9)主控制器的数据处理能力强，满足了机器人实时性的要求，但交流伺服电机供电系统、控制系统较为复杂，不便于安装、维护。

另外，采用基于CAN总线的机器人关节伺服分级控制体系结构(何宇等.基于CAN总线的多轴运动控制系统研究.组合机床与自动化加工技术，2004(2)：45～46)，该系统虽具有开放性特点，控制器的工作效率和控制性能得到了提高，但控制部分、驱动部分和供电系统分离，需要设计大量的接口电路，一体化程度不太高，使其扩展性受到了一定程度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、运算速度快、通讯效率高、能够实现机器人关节精确定位、复位以及零位置检测、具有自我保护功能、扩展方便的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该独立关节控制器的硬件部分包括电源转换单元、CAN通讯单元、DSP芯片、信息采集反馈单元、直流电机、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关、直流电源接口。电源转换单元分别与CAN通讯单元、DSP芯片、信息采集反馈单元、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关、直流电源接口连接，DSP芯片分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、控制驱动单元、自我保护单元、接近开关连接，控制驱动单元分别与自我保护单元、直流电机、直流电源接口连接，信息采集反馈单元与直流电机轴连接。该机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片中。其中：

所述的电源转换单元包括24V电压转换芯片、12V电压转换芯片、5V电压转换芯片，24V电压转换芯片的OUTPUT引脚与12V电压转换芯片的INPUT引脚连接，12V电压转换芯片的OUTPUT引脚与5V电压转换芯片的IN引脚连接。

24V电压转换芯片的INPUT引脚与直流电源接口连接，24V电压转换芯片的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元、自我保护单元连接，12V电压转换芯片的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元、信息采集反馈单元、自我保护单元连接，5V电压转换芯片的OUT引脚分别与DSP芯片、接近开关连接。

所述的CAN通讯单元包括CAN驱动芯片、CAN总线连接器。CAN驱动芯片的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器连接，CAN驱动芯片的TXD、RXD引脚分别与DSP芯片的CANTX、CANRX引脚连接，CAN驱动芯片的VCC引脚与电源转换单元中的12V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接。

所述的信息采集反馈单元包括滞回比较器、光电编码器。光电编码器的A、B相输出端分别与滞回比较器的1A、2A引脚连接；光电编码器通过联轴器与直流电机轴连接，滞回比较器的1Y、2Y引脚分别与DSP芯片的IOPA₂、IOPA₃引脚连接，滞回比较器的VCC引脚与电源转换单元中的12V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接。

所述的控制驱动单元包括两个桥式驱动芯片、四个场效应管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，一个桥式驱动芯片的HO、LO引脚分别与场效应管Q₁、Q₂的栅极连接，另一个桥式驱动芯片的HO、LO引脚分别与场效应管Q₃、Q₄的栅极连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与场效应管Q₂、Q₄的漏极连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与两个桥式驱动芯片的V_s引脚连接。

一个桥式驱动芯片的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片的PWM₁、PWM₂引脚连接，另一个桥式驱动芯片的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片的PWM₃、PWM₄引脚连接，两个桥式驱动芯片的SD引脚分别与自我保护单元连接，两个桥式驱动芯片的VCC引脚分别与电源转换单元中的24V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接。场效应管Q₁、Q₃的漏极分别与直流电源接口连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与直流电机的输入端连接，场效应管Q₂、Q₄的源极分别与自我保护单元连接。

所述的自我保护单元包括两个运算放大器。第一个运算放大器的InputA₁、InputB₁分别与第二个运算放大器的OUT引脚连接，第二个运算放大器的IN+引脚通过电阻R接地。

第二个运算放大器的IN+引脚与控制驱动单元连接，第二个运算放大器的VCC引脚与电源转换单元中的12V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接，第一个运算放大器的VCC、InputA₂、InputB₂引脚分别与电源转换单元中的24V电压转换芯片的OUTPUT引脚连接，第一个运算放大器的OutputA引脚分别与控制驱动单元中的两个桥式驱动芯片的SD引脚连接，第一个运算放大器的OutputB引脚与DSP芯片的IOPB₂引脚连接。

所述的接近开关的一端与DSP芯片的I/O端口连接，另一端与电源转换单元中的5V电压转换芯片的OUT引脚连接。

所述的模块化机器人独立关节控制器的软件程序的主流程为：首先初始化DSP控制器，进入循环，判断是否接收到CAN总线指令，若未接收到CAN总线指令则继续循环；若接收到CAN总线指令则进入下一步。再判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，若接收到执行零位置检测指令，DSP控制器读取相应关节位置信息，执行回零操作，控制关节运动。此时再判断接近开关是否动作，若接近开关没有动作则关节继续运动；若接近开关动作则电机停止转动，完成零位置检测，返回到接收CAN总线指令，执行下一步程序。若未接收到零位置检测指令，则接收关节的运动控制指令，读取相应关节信息，通过PID控制算法，控制关节动作。此时DSP控制器再判断关节是否正常工作，若关节正常工作，发送相应关节信息至CAN总线；若关节非正常工作，启动自我保护功能、关节停止运动，发送相应关节信息至CAN总线。再判断是否接收到CAN总线运动控制指令，若接收到CAN总线运动控制指令，返回到判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，执行下一步程序；若没有接收到CAN总线运动控制指令，返回到读取相应关节信息，执行下一步程序。

由于采用上述技术方案，本发明的核心处理器采用高速的数字信号处理芯片，它继承了数字信号处理器的优点，同时又具有微控制器的特点，无论在运算速度和数据的处理能力上都可以满足运动控制的高实时性要求，为完成复杂的实时运动控制算法提供了可靠的平台。

本发明与上位机通讯部分采用CAN总线方式，CAN总线通讯具有多主机方式、传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，解决了传统控制器点对点数据传输方式中传输效率低、接口电路复杂等问题。

光电编码器作为速度、位置检测传感器，将电机旋转的角度和速度转换成脉冲信号，DSP芯片通过片内正交编码脉冲单元采集脉冲信号，并与上位机给定的位置、速度的期望值相比较，再根据它们之间的差值来调整电机的控制信号，实现对电机的速度、位置双闭环控制，从而实现了对机器人关节的精确控制。因此，采用光电编码器不仅满足了双闭环控制的要求，而且简化了系统结构。

在零位置安装接近开关，通过判断接近开关的状态可以检测关节是否运动到零点，运动到零点则立刻停止电机转动，从而可以实现关节的复位和零位置检测功能。

自我保护单元采集电机电流，将其转换为电压信号，通过运算放大器与预设电压进行比较，当转换过来的电压高于预设电压时，运算放大器将过流保护信号发送至桥式驱动芯片的使能端，使其停止工作，电机停止转动，实现关节的自我保护。

本发明的机器人独立关节控制器实质上就是一个独立的智能模块，集供电、通讯、控制驱动和自我保护于一体。面对不同的作业任务，能很方便地将多个独立关节控制器通过连接件连接在一起，组成一个多自由度机器人，具有很强的可扩展性。因此，本发明可广泛用于工业机器人、机械臂、空间机器人、类人机器人等具有多个自由度模块的机器人控制系统。

附图说明

图1是本发明的一种控制系统示意图；

图2是图1中的电源转换单元1的结构示意图；

图3是图1中的CAN通讯单元2的结构示意图；

图4是图1中的信息采集反馈单元4的结构示意图；

图5是图1中的控制驱动单元6的结构示意图；

图6是图1中的自我保护单元7的结构示意图；

图7是图1中的接近开关8的结构示意图；

图8是图1中的控制系统软件主流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，该控制器的硬件部分如图1所示：包括电源转换单元1、CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、直流电机5、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9。电源转换单元1分别与CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9连接，DSP芯片3分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8连接，控制驱动单元6分别与自我保护单元7、直流电机5、直流电源接口9连接，信息采集反馈单元4与直流电机5轴连接。模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片3中。

电源转换单元1如图2所示，包括电压转换芯片10、11、12。电压转换芯片10的OUTPUT引脚与电压转换芯片11的INPUT引脚连接，电压转换芯片11的OUTPUT引脚与电压转换芯片12的IN引脚连接。

电压转换芯片10的INPUT引脚与直流电源接口9连接，电压转换芯片10的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元6、自我保护单元7连接，电压转换芯片11的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、自我保护单元7连接，电压转换芯片12的OUT引脚分别与DSP芯片3、接近开关8连接。

CAN通讯单元2如图3所示，包括CAN驱动芯片14、CAN总线连接器13。CAN驱动芯片14的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器13连接，CAN驱动芯片14的TXD、RXD引脚分别与DSP芯片3的CANTX、CANRX引脚连接，CAN驱动芯片14的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。

信息采集反馈单元4如图4所示，包括滞回比较器15、光电编码器16。光电编码器16的A、B相输出端分别与滞回比较器15的1A、2A引脚连接；光电编码器16通过联轴器与直流电机5轴连接，滞回比较器15的1Y、2Y引脚分别与DSP芯片3的IOPA₂、IOPA₃引脚连接，滞回比较器15的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。

控制驱动单元6如图5所示，包括桥式驱动芯片17、18、场效应管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄。桥式驱动芯片18的HO、LO引脚分别与场效应管Q₁、Q₂的栅极连接，桥式驱动芯片17的HO、LO引脚分别与场效应管Q₃、Q₄的栅极连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与场效应管Q₂、Q₄的漏极连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与桥式驱动芯片18、17的V_s引脚连接。

桥式驱动芯片18的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片3的PWM₁、PWM₂引脚连接，桥式驱动芯片17的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片3的PWM₃、PWM₄引脚连接，桥式驱动芯片18、17的SD引脚分别与自我保护单元7连接，桥式驱动芯片18、17的VCC引脚分别与电源转换单元1中的电压转换芯片10的OUTPUT引脚连接，场效应管Q₁、Q₃的漏极分别与直流电源接口9连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与直流电机5的输入端连接，场效应管Q₂、Q₄的源极分别与自我保护单元7连接。

自我保护单元7如图6所示，包括运算放大器19、20。运算放大器19的InputA₁、InputB₁分别与运算放大器20的OUT引脚连接，运算放大器20的IN+引脚通过电阻R接地。

运算放大器20的IN+引脚与控制驱动单元6连接，运算放大器20的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接，运算放大器19的VCC、InputA₂、InputB₂引脚分别与电源转换单元1中的电压转换芯片10的OUTPUT引脚连接，运算放大器19的OutputA引脚分别与控制驱动单元6中的桥式驱动芯片17、18的SD引脚连接，运算放大器19的OutputB引脚与DSP芯片3的IOPB₂引脚连接。

接近开关8如图7所示，接近开关8的一端与DSP芯片3的I/O端口连接，另一端与电源转换单元1中的电压转换芯片12的OUT引脚连接。

本实施方式的模块化机器人独立关节控制器的软件程序主流程如图8所示：首先初始化DSP控制器，进入循环，判断是否接收到CAN总线指令，若未接收到CAN总线指令则继续循环；若接收到CAN总线指令则进入下一步。再判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，若接收到执行零位置检测指令，DSP控制器读取相应关节位置信息，执行回零操作，控制关节运动。此时再判断接近开关是否动作，若接近开关没有动作则关节继续运动；若接近开关动作则电机停止转动，完成零位置检测，返回到接收CAN总线指令，执行下一步程序。若未接收到零位置检测指令，则接收关节的运动控制指令，读取相应关节信息，通过PID控制算法，控制关节动作。此时DSP控制器再判断关节是否正常工作，若关节正常工作，发送相应关节信息至CAN总线；若关节非正常工作，启动自我保护功能、关节停止运动，发送相应关节信息至CAN总线。再判断是否接收到CAN总线运动控制指令，若接收到CAN总线运动控制指令，返回到判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，执行下一步程序；若没有接收到CAN总线运动控制指令，返回到读取相应关节信息，执行下一步程序。

本实施方式的整个控制系统采用TI公司型号为TMS320LF2407的DSP芯片3作为主控制器。该款芯片中的事件管理器模块适用于控制电机，从芯片内部可直接输出PWM波，并且片内设有专门的光电编码器接口电路。在硬件方面可以非常容易地实现对电机的闭环控制。

从芯片内部输出的PWM波通过桥式驱动芯片17、18(IR2110)接入全桥驱动电路，可方便地控制电机的转速和转向。光电编码器将电机旋转的角度和速度转变为脉冲信号，发送到DSP芯片3的正交脉冲编码单元，DSP芯片3接收反馈的脉冲信号，并与上位机给定的位置、速度的期望值相比较，再根据它们之间的差值来调整电机的控制信号，实现对电机的速度、位置双闭环控制，从而实现了对机器人关节的精确控制。

自我保护单元7采集电机工作时的电流，将其转换为电压信号，通过运算放大器19与预设电压进行比较，当转换过来的电压高于预设电压时，运算放大器19将过流保护信号发送至桥式驱动芯片17、18的使能端，使其停止工作，电机停止转动，实现关节的自我保护。

该模块化独立关节控制器只需外部24V直流电源供电，控制器内部有专门的电源转换单元1，采用电压转换芯片10、11、12可将24V直流电压转换成12V、5V、3.3V直流电压以满足控制系统工作的需要。

本实施例与上位机通讯部分采用CAN总线方式，CAN总线通讯具有多主机方式、传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，解决了传统控制器点对点数据传输方式中传输效率低、接口电路复杂等问题。

本具体实施方式实质上就是一个独立的智能模块，集供电、通讯、控制驱动和自我保护于一体。面对不同的作业任务，能很方便地将多个独立关节控制器通过连接件连接在一起，组成一个多自由度机器人，具有很强的可扩展性。因此，本实施例可广泛用于工业机器人、机械臂、空间机器人、类人机器人等具有多个自由度模块的机器人控制系统。

Claims (8)

1、一种基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于该控制器的硬件部分包括电源转换单元1、CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、直流电机5、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9，电源转换单元1分别与CAN通讯单元2、DSP芯片3、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8、直流电源接口9连接，DSP芯片3分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、控制驱动单元6、自我保护单元7、接近开关8连接，控制驱动单元6分别与自我保护单元7、直流电机5、直流电源接口9连接，信息采集反馈单元4与直流电机5轴连接；

模块化机器人独立关节控制器的软件程序集成在DSP芯片3中。

2、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的电源转换单元1包括电压转换芯片10、11、12，电压转换芯片10的OUTPUT引脚与电压转换芯片11的INPUT引脚连接，电压转换芯片11的OUTPUT引脚与电压转换芯片12的IN引脚连接；

电压转换芯片10的INPUT引脚与直流电源接口9连接，电压转换芯片10的OUTPUT引脚分别与控制驱动单元6、自我保护单元7连接，电压转换芯片11的OUTPUT引脚分别与CAN通讯单元2、信息采集反馈单元4、自我保护单元7连接，电压转换芯片12的OUT引脚分别与DSP芯片3、接近开关8连接。

3、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的CAN通讯单元2包括CAN驱动芯片14、CAN总线连接器13，CAN驱动芯片14的CANH、CANL引脚分别与CAN总线连接器13连接；CAN驱动芯片14的TXD、RXD引脚分别与DSP芯片3的CANTX、CANRX引脚连接，CAN驱动芯片14的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。

4、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的信息采集反馈单元4包括滞回比较器15、光电编码器16，光电编码器16的A、B相输出端分别与滞回比较器15的1A、2A引脚连接；光电编码器16通过联轴器与直流电机5轴连接，滞回比较器15的1Y、2Y引脚分别与DSP芯片3的IOPA₂、IOPA₃引脚连接，滞回比较器15的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接。

5、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的控制驱动单元6包括桥式驱动芯片17、18、场效应管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，桥式驱动芯片18的HO、LO引脚分别与场效应管Q₁、Q₂的栅极连接，桥式驱动芯片17的HO、LO引脚分别与场效应管Q₃、Q₄的栅极连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与场效应管Q₂、Q₄的漏极连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与桥式驱动芯片18、17的V_s引脚连接；

桥式驱动芯片18的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片3的PWM₁、PWM₂引脚连接，桥式驱动芯片17的HIN、LIN引脚分别与DSP芯片3的PWM₃、PWM₄引脚连接，桥式驱动芯片18、17的SD引脚分别与自我保护单元7连接，桥式驱动芯片18、17的VCC引脚分别与电源转换单元1中的电压转换芯片10的OUTPUT引脚连接，场效应管Q₁、Q₃的漏极分别与直流电源接口9连接，场效应管Q₁、Q₃的源极分别与直流电机5的输入端连接，场效应管Q₂、Q₄的源极分别与自我保护单元7连接。

6、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的自我保护单元7包括运算放大器19、20，运算放大器19的InputA₁、InputB₁分别与运算放大器20的OUT引脚连接，运算放大器20的IN+引脚通过电阻R接地；

运算放大器20的IN+引脚与控制驱动单元6连接，运算放大器20的VCC引脚与电源转换单元1中的电压转换芯片11的OUTPUT引脚连接，运算放大器19的VCC、InputA₂、InputB₂引脚分别与电源转换单元1中的电压转换芯片10的OUTPUT引脚连接，运算放大器19的OutputA引脚分别与控制驱动单元6中的桥式驱动芯片17、18的SD引脚连接，运算放大器19的OutputB引脚与DSP芯片3的IOPB₂引脚连接。

7、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的接近开关8的一端与DSP芯片3的I/O端口连接，另一端与电源转换单元1中的电压转换芯片12的OUT引脚连接。

8、根据权利要求1所述的基于DSP的模块化机器人独立关节控制器，其特征在于所述的模块化机器人独立关节控制器的软件程序的主流程为：首先初始化DSP控制器，进入循环，判断是否接收到CAN总线指令，若未接收到CAN总线指令则继续循环，若接收到CAN总线指令则进入下一步；再判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，若接收到执行零位置检测指令，DSP控制器读取相应关节位置信息，执行回零操作，控制关节运动，此时再判断接近开关是否动作，若接近开关没有动作则关节继续运动，若接近开关动作则电机停止转动，完成零位置检测，返回到接收CAN总线指令，执行下一步程序；若未接收到零位置检测指令，则接收关节的运动控制指令，读取相应关节信息，通过PID控制算法，控制关节动作，此时DSP控制器再判断关节是否正常工作，若关节正常工作，发送相应关节信息至CAN总线，若关节非正常工作，启动自我保护功能、关节停止运动，发送相应关节信息至CAN总线，再判断是否接收到CAN总线运动控制指令，若接收到CAN总线运动控制指令，返回到判断接收到的CAN总线指令是否为执行零位置检测指令，执行下一步程序，若没有接收到CAN总线运动控制指令，返回到读取相应关节信息，执行下一步程序。

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