手動(dòng)機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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As one of the contestant of Hunan Agricultural University, I have participated the Robert competition which was hold in the Universiade in 2012.The activities of Asia-Pacific Robot Contest include robot 2 design and production of the entire process. It has been greatly improved in terms of innovative design capability, ability of practicing and cultivating teamwork spirit. This design is a high degree of automation, accurately and flexibly controlled manual robot, which consists of the walking module, the main control module and the mechanical arms. The main purpose is to complete an accurately action of picking coins , moving and collecting robots and replacing. (the title comes from the Asia-Pacific Robot Contest of College Students in 2012).It has a high requirement of robot in terms of competitiveness, flexibility, accuracy. The control system of the manual robot uses development board which is based on the STM32 Cortex-M3 core, as the underlying control module. It has taken full advantage of high-speed processing capability and high reliability of that subsection micro-controller. Key words: Robot; drive; communication; PID algorithm; PWM speed control； 1 前言 智能化機(jī)器人在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所起到的作用越來(lái)預(yù)明顯，在人力資本日漸增 加的背景下，智能化機(jī)器人這種新型技術(shù)取代人力勞動(dòng)是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 智能化機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合，它是人工智能、機(jī)器人技術(shù)、通信技術(shù)、 傳感器技術(shù)、信息及編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)、接 口技術(shù)、單片機(jī)原理、精密機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制理論、伺服傳動(dòng)技術(shù)等諸多領(lǐng) 域的技術(shù)集成 1。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選題來(lái)源于2012年全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人比賽的項(xiàng) 目，論文內(nèi)容是關(guān)于手動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，由于比賽整體水 平的不斷加深，因此本次設(shè)計(jì)的技術(shù)也較以往有了很大方面的改進(jìn) 2。 1.1 2012robocon 賽制簡(jiǎn)介 1.1.1 比賽主題 此次大賽的主題為“Peng On Dai Gat”，中文意思為“平安大吉（包山斗智 顯平安） ”，源于民俗活動(dòng)，旨在祈求平安。 1.1.2 比賽規(guī)則 比賽要求每只參賽隊(duì)伍由一臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人，一臺(tái)自動(dòng)機(jī)器人和一臺(tái)收集機(jī) 器人共三臺(tái)機(jī)器人組成。首先，手動(dòng)機(jī)器人從硬幣架上拿起硬幣投到硬幣箱中。 然后，自動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)把公共區(qū)的籃子搬到手動(dòng)區(qū)并回到啟動(dòng)區(qū)，與此同時(shí)， 手動(dòng)機(jī)器人需要把收集機(jī)器人搬起運(yùn)到自動(dòng)機(jī)器人上，由手動(dòng)機(jī)器人把收集機(jī) 器人搬運(yùn)到自動(dòng)機(jī)器人上。最后，收集機(jī)器人爬上小島，把底層和中間層的包 3 子抓取并放到籃子里，再由手動(dòng)機(jī)器人把收集機(jī)器人托起抓取頂層包子放到籃 子里，完成任務(wù)。期間不能違反比賽要求，用時(shí)最少完成任務(wù)或得分最多的獲 勝。比賽場(chǎng)地如圖 1 所示。 圖 1 比賽場(chǎng)地規(guī)格 Fig .1 Game Field Specifications 1.2 手動(dòng)機(jī)器人任務(wù)簡(jiǎn)述 手動(dòng)機(jī)器人的主要任務(wù)有： 1) 手動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)后需要從硬幣架拿起硬幣并放入硬幣箱； 2) 在沒(méi)犯規(guī)的前提下，手動(dòng)機(jī)器人必須穿越隧道，到達(dá)搜集機(jī)器人所在區(qū) 域并搬運(yùn)搜集機(jī)器人至自動(dòng)機(jī)器人 A（5 區(qū)）區(qū)域（見(jiàn)圖 2） ； 3) 手動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)放在手動(dòng)區(qū)的籃子（4 區(qū)）按照?qǐng)D中所示路線回到啟動(dòng) 區(qū)（6 區(qū)） ，并將籃子放置在小島上的放籃區(qū)； 4) 手動(dòng)機(jī)器人托起搜集機(jī)器人夾取包山最頂層包子，手動(dòng)機(jī)器人和搜集機(jī) 器人之間通過(guò)非射頻方式通信； 5) 在比賽規(guī)定時(shí)間（三分鐘）的最后一分鐘內(nèi)，手動(dòng)機(jī)器人可以直接從底 層開(kāi)始夾取包子； 6) 當(dāng)搜集機(jī)器人完成每層至少一個(gè)包子的夾取和投放，比賽立即宣布結(jié)束， 完成規(guī)定任務(wù)并耗時(shí)最短的獲勝，未完成任務(wù)按照得分多少衡量勝負(fù)。 4 由于比賽規(guī)則限定：手動(dòng)機(jī)器人抓取硬幣并將硬幣放置到硬幣箱中，完成 速度較快的另外兩臺(tái)機(jī)器人優(yōu)先啟動(dòng)，這就要求手動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定性高、速度快、 定位精準(zhǔn)，所以對(duì)手動(dòng)機(jī)器人的要求更高。 圖 2 手動(dòng)機(jī)器人行動(dòng)路線示意圖 Fig .2 The schematic diagram of Manual robot walking route 1.3 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則 基于對(duì)以往比賽經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和對(duì)此次參賽機(jī)器人的性能等各方面的要求， 此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要考驗(yàn)的是機(jī)器人的行走路線、機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性、快速 性、準(zhǔn)確性以及可操作性。在小組討論后，我們制定了如下機(jī)器人設(shè)計(jì)原則。 1)機(jī)器人必須與大賽的主題相吻合，創(chuàng)意獨(dú)到。 2)機(jī)器人必須穩(wěn)、準(zhǔn)、快。指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和取放硬幣的 準(zhǔn)確性。速度只有與機(jī)動(dòng)性、靈巧性和準(zhǔn)確性結(jié)合才能相得益彰。才能在競(jìng)爭(zhēng) 中獲得勝利。 3)機(jī)器人應(yīng)具有高智能，機(jī)器人在人機(jī)交互模塊中一定要具備優(yōu)秀的可操 作性。 4)機(jī)器人代表隊(duì)的配合默契程度。指自動(dòng)機(jī)器人、手控機(jī)器人的配合要好， 因?yàn)楸荣惒皇潜绕磫闻_(tái)機(jī)器人的功能,小組特別強(qiáng)調(diào)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)。 1.4 策略概要 在比賽一開(kāi)始手動(dòng)機(jī)器人就以最短路線運(yùn)動(dòng)到硬幣所在區(qū)域，并抓取硬幣 5 投放到硬幣箱中，在抓取過(guò)程中可以用啟動(dòng)按鈕控制機(jī)器人走自動(dòng)程序精確定 位并抓取，這樣有效地為自動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行爭(zhēng)取了部分時(shí)間，比賽過(guò)程中不同機(jī) 器人之間使用非射頻方式進(jìn)行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機(jī)器人之間完成相 應(yīng)任務(wù),所以在比賽中我們可以選擇手動(dòng)機(jī)器人的第一步走自動(dòng)程序完成抓放硬 幣的工作。 2 手動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于在比賽過(guò)程中手動(dòng)操作者必須坐在手動(dòng)機(jī)器人上進(jìn)行相應(yīng)任務(wù)，所以 整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人選取由壁厚為 1.2mm、2525mm 的不銹鋼方管焊接而成，可保 證其強(qiáng)度。底盤(pán)采用后驅(qū)形式，兩后輪單獨(dú)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩前輪采用萬(wàn)向輪結(jié) 構(gòu)。在這個(gè)輪系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)左右后輪電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，左右后兩輪的轉(zhuǎn)速不 同，而前輪只是起支撐作用，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間 我們采用鏈條傳動(dòng)方式。由于手動(dòng)機(jī)器人在賽中要抬起一臺(tái)和自身相當(dāng)重的自 動(dòng)機(jī)器人，而普通的電機(jī)達(dá)不到自鎖能力，所以我們額外給升降結(jié)構(gòu)增加一個(gè) 棘輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)普通電機(jī)的這個(gè)缺陷。對(duì)于升降機(jī)構(gòu)，為了增強(qiáng)它的承載能力， 我們借鑒電梯的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)滑式滑塊。圖 3 為手動(dòng)機(jī)器人的整體簡(jiǎn)易 三維圖。 圖 3 手動(dòng)機(jī)器人整體三維圖 6 Fig .3 Electric car 3D figure as a whole 2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主控板以近年來(lái)迅速發(fā)展的 ARM Cortex-M3 內(nèi)核處理器為控制核心；ARM 單片機(jī)上面配有過(guò)壓保護(hù)和限流保護(hù)，而且使用的是外部晶振，有足夠的能力 對(duì)系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。而且本系統(tǒng)成本低，通信模塊穩(wěn)定，控制部分功 耗低，電源利用率高，對(duì)于機(jī)器人的控制也滿足設(shè)計(jì)要求，能夠較穩(wěn)定的控制 機(jī)器人的各個(gè)模塊 3。 圖 4 系統(tǒng)方框圖 Fig.4 Block diagram of a system 本設(shè)計(jì)是基于 STM32 單片機(jī)的手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由兩塊 STM32 主控模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電子方向盤(pán)模塊、棘輪模塊、LM629 驅(qū)動(dòng) 模塊、單片機(jī)模塊、電子油門(mén)模塊、串口通信模塊與電源模塊等模塊組成。主 控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它與其它各個(gè)模塊之間通過(guò)不同電路和接口協(xié)議進(jìn) 行相連。電子方向盤(pán)模塊、電子油門(mén)模塊、電子剎車(chē)、按鍵模塊等傳感器輸入 部分對(duì)系統(tǒng)外界信息進(jìn)行采集和處理后，將數(shù)據(jù)通過(guò)電平信號(hào)、PWM 信號(hào)等方 式發(fā)送到中央處理模塊。然后按照通信協(xié)議，接口協(xié)議等要求和其他模塊進(jìn)行 通信模塊 STM32 下位機(jī) STM32 上位機(jī) 輸入輸出模塊人機(jī)交互模塊 底盤(pán)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)模塊 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊 棘輪模塊 升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊 傳感器 油門(mén)裝置剎車(chē)裝置 傳感器 7 信息交換，由中央處理模塊根據(jù)軟件設(shè)計(jì)中的流程圖和所設(shè)計(jì)的算法，對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析與處理 4。從而得到相關(guān)的最優(yōu)輸出操作，通過(guò)輸出 PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）波的方式向單片機(jī)模塊發(fā)命令，單片機(jī)模塊再 通過(guò)串口通信控制 LM629 模塊從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)電平控制氣動(dòng)模 塊的狀態(tài)。從而達(dá)到對(duì)手動(dòng)機(jī)器人各部分的控制。其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如圖 4 所示。 3. 手動(dòng)機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 CPU 選擇 CPU 是整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人的核心環(huán)節(jié)。它是實(shí)現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能 算法等的平臺(tái)。本設(shè)計(jì)對(duì) CPU 有以下三種方案： 方案一：采用 ATMEL 公司研制的基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控板。 AVR 單片機(jī)是高速嵌入式 單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應(yīng)迅速 5。其次，AVR 單片機(jī)高性能、低功 耗，且其快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，很大程度上優(yōu)化了目標(biāo)代碼 所占用的存儲(chǔ)空間，也在一定程度下提高了程序的執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 但是 AVR 系列單片機(jī)都不具備 硬件正交增量編碼器功能。 8 圖 5 STM32 引腳圖 Fig.5The pin diagram of STM32 方案二：根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人控制性能的要求，我們可以采用STM32F103VET6 基于最新Cortex-M3 內(nèi)核的 32位ARM7微處理器。如果僅僅使用一塊 STM32芯 片執(zhí)行所有程序會(huì)造成程序編寫(xiě)復(fù)雜、芯片負(fù)載過(guò)高（堆棧溢出） 、響應(yīng)速度緩 慢、端口配置沖突（如TIM8和TIM1不能同時(shí)使用）等問(wèn)題。這與機(jī)器人的設(shè) 計(jì)要求 不符故采用兩塊STM32 芯片做分級(jí)系統(tǒng)。共同構(gòu)成中央處理單元從而具有并行 處理的能力。這樣在串口通信的前提下既保證了手動(dòng)機(jī)器人各個(gè)模塊控制靈活 性，又同時(shí)保證了CPU的響應(yīng)速度和處理能力。由于STM32單片機(jī)具有更優(yōu)良 的性能，同時(shí)分級(jí)系統(tǒng)擁有更高效的控制性能和并行處理能力，所以我們最終 選擇方案二作為本設(shè)計(jì)的CPU。如圖5所示。 Cortex-M3 是一款低功耗處理器，具有門(mén)數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本 低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該處理 器采用ARMv7-M 架構(gòu)，在機(jī)器人調(diào)試過(guò)程中能夠充分滿足各方面的要求。 STM32F103VET6是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM 32位的Cortex-M3 CPU的微控制器，并帶有128kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。20k的RAM,128 位寬度 的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行Thumb-2 指令集以16位的代碼密度帶來(lái)了32位的性能，由于內(nèi)置了快速的中斷控制器， STM32的擁有優(yōu)越的實(shí)時(shí)特性，中斷間的延遲時(shí)間只需6個(gè)CPU周期，從低功耗模 式喚醒也只需6個(gè)cpu周期。與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可以快35%且代碼最多 可以省45%。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（范圍從多個(gè)UART、SPI 和CAN 到兩條IC總線）和8kB的片內(nèi)SRAM，多個(gè)32位和16位定時(shí)器、1個(gè)改良的10位 ADC、所有定時(shí)器上輸出匹配的PWM 特性、以及具有多達(dá)13個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的 外部中斷管腳的32條高速GPIO線，GPIO翻轉(zhuǎn)頻率最高能達(dá)到18MHz。使這種微控 制器特別適合工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、 馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。 STM32f103VET6芯片的主要性能如下： 內(nèi)核: 1、 ARM 32位的Cortex -M3 CPU ,最高可達(dá)72MHZ工作頻率 2、在存儲(chǔ)器的0的等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25DMisp、MHZ 3、具有單周期乘法和硬件除法 9 存儲(chǔ)器： 1、高達(dá)128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器 2、高達(dá)20K字節(jié)的SRAM 時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理： 1、2.0-3.6V供電和I/O引腳 2、上電/斷電復(fù)位（POR/PDR） 、可編程電壓監(jiān)測(cè)器（PVD） 3、4-16MHZ晶振振蕩器 4、內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHZ的RC振蕩器 5、內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40KMZ的RC振蕩器 6、產(chǎn)生CPU時(shí)鐘的PLL 7、帶校準(zhǔn)的32KMZ的RC振蕩器 低功耗： 1、睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式 2、Vbat為RTC和后備寄存器供電 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 1、2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道） 2、轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V 3、雙采樣和保持功能 4、溫度傳感器 DMA 1、7通道DMA控制器 2、支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、IC和USRT 3、多達(dá)80個(gè)快速I(mǎi)/O端口26/37/51/80個(gè)I/O口，所有I/O口一顆映像到16個(gè) 外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號(hào) 調(diào)試模式 串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口 定時(shí)器： 1、3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或 脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入 2、1個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車(chē)，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器 3、2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型的） 10 4、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減型計(jì)數(shù)器 通信接口 1、多達(dá)2個(gè)I平方C接口(支持SMBus/PMBus) 2、多達(dá)3個(gè)USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制） 3、多達(dá)2個(gè)SPI接口(18M位/秒） 4、CAN接口 5、USB 2.0全速接口 圖 6 STM32F103X 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.6 Block diagram of STM32F103X System 11 3.1.1 最小系統(tǒng)原理圖 圖 7 STM32 最小系統(tǒng) Fig.7 The Minimum System of STM32 最小系統(tǒng)電路是處理器芯片能工作所必需的電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路、復(fù) 位 電路、晶振以及調(diào)試接口 7（這里是 JLink 接口） 。因?yàn)?STM32 內(nèi)部包含 128KB 的 FLASH 以及 32KB 的 SRAM，滿足設(shè)計(jì)需要，所以不再進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。 如圖 7 所示是 STM32F103VET6 的最小工作系統(tǒng)原理圖。 3.2 電機(jī)選型 底盤(pán)電機(jī)選型： (1)底盤(pán)最大負(fù)重： M=20kg(機(jī)器人自重)+60kg(操作者體重)+15kg( 收集機(jī)器人 自重)=95kg (2)需要的加速度： 21.5/ams (3)底盤(pán)最大速度： V (4)輪子直徑： D=160mm (6)驅(qū)動(dòng)方式： 兩輪直輪驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人勻速運(yùn)行時(shí)： 機(jī)器人勻速驅(qū)動(dòng)需要的最大驅(qū)動(dòng)力： 取輪子與地面的摩擦系數(shù)為： =0.5 47.5FMgN勻 取驅(qū)動(dòng)力安全系數(shù) 171.FN勻 勻 電機(jī)勻速行駛的驅(qū)動(dòng)功率： 289PVW勻 out勻 電機(jī)減速箱為行星減速箱一般效率 11為： =0.減 速 箱 電機(jī)與輪子為鏈條傳動(dòng)因無(wú)鏈條箱取效率為： 5鏈 條 電機(jī)勻速行駛的實(shí)際功率 ： in/9.7勻 勻 out減 速 箱 鏈 條 電機(jī)額定電壓： 24V 電機(jī)額定電流： 3.9nPIAU勻 i 機(jī)器人加速運(yùn)行時(shí)： 驅(qū)動(dòng)力： 142.5aFmN 加速時(shí)間： /7tvs 12 行駛距離： 21.7Satm 每個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力： 59.4xaFN 地面動(dòng)摩擦力 .fg 因動(dòng)量守恒： 21outVPfS 底盤(pán)輸出功率 =235.3W ()/outmt 底盤(pán)實(shí)際功率 int/=25.7t W減 速 箱 鏈 條 電機(jī)實(shí)際功率： Wi16.P 啟動(dòng)沖擊電流： 5IAU 綜上每個(gè)輪子的最大驅(qū)動(dòng)力： max=59.4NF 輪子轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)： 60n12Vrp 驅(qū)動(dòng)力矩： 4.756.xMr 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們選取了 Maxon RE40 148867 作為底盤(pán)電機(jī) 8，其具體參數(shù) 如圖 8。 圖8 Maxon RE40電機(jī)參數(shù) Fig.8 Maxon RE40 Motor 其他電機(jī)按此計(jì)算升降電機(jī)和棘輪電機(jī)分別采用 RE35、RE25。 3.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 伺服模塊組成：采用 ATmega32L 作為模塊主芯片,LM629 作為輔助芯片 （主要用于 PID 調(diào)節(jié)） ，編碼盤(pán)來(lái)采樣的數(shù)據(jù)來(lái)組合成一個(gè)電機(jī)伺服系統(tǒng)，以 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在此模塊設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)充分利用空心杯直流伺服電機(jī)及其 驅(qū)動(dòng)模塊有電機(jī)體積小，重量輕，扭矩大，精度高，響應(yīng)快，速度高，慣量小， 轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相 或正弦波換相的特點(diǎn)。在調(diào)試的過(guò)程中，由于我們選擇驅(qū)動(dòng)模塊種類不一，曾 13 發(fā)生過(guò)底盤(pán)兩電機(jī)在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速不一樣，經(jīng)過(guò)小組討論和決定，最終我們 選擇銘朗科技 MLDS3810TE 作為底盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)模塊如圖 9，它具有 穩(wěn)定性好，精度高的優(yōu)點(diǎn)。 圖 9 伺服系統(tǒng)模塊 Fig.9 Servo system module 3.3.1 LM629 驅(qū)動(dòng)模塊 3.4.1.1 LM629 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體共識(shí)的產(chǎn)品，他是全數(shù)字式控制的專用運(yùn)動(dòng)控 制處理器。通過(guò)一片單片機(jī)一片 LM629 一片功率驅(qū)動(dòng)器一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)一個(gè)增 量式光電編碼盤(pán)就可以構(gòu)成一個(gè)伺服系統(tǒng)。LM629 引腳定義如表 1，LM629 引腳 定義如圖 10。 14 圖 10 LM629 引腳定義圖 Fig.10 Lead feet definition of the LM629 表 1 LM629 引腳定義 Table1 Lead feet definition of the LM629 LM629 引腳 引腳名字 I/O 應(yīng)用說(shuō)明 1 IN Input 編碼 IN 信號(hào) 2 A Input 編碼 A 信 3 B Input 編碼 B 信 4-11 D7-D0 Input 數(shù)據(jù)端口 12 CS IO 讀寫(xiě)片選 13 RD Input 讀控制端口 14 GND GND 電源地 15 WR Input 寫(xiě)控制端口 16 PS Input 數(shù)據(jù)命令的片選控制端口 17 HI Output 中斷輸出端口 18 PWM_SING Output 方向信號(hào)輸出端口 19 PWM_MAG Output PWM 信號(hào)輸出端口 20-25 NC 不用 26 CLK Output 系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)輸入 27 RST Output 復(fù)位信號(hào)輸入端口 28 VDD Power 電源端口 3.3.1.2 LM629 工作原理 如圖 11 利用增量式光電編碼盤(pán)來(lái)反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。來(lái)自增量式光電 編碼盤(pán)的位置信號(hào) A，B 經(jīng) LM629 四倍頻，提高分辨率。 A，B 邏輯狀態(tài)每變 化一次， LM629 內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤(pán)的 A，B，C 信號(hào)同為低電平 時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè) Index（見(jiàn)圖 12）信號(hào)送入 Index 寄存器，記錄電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位 置。能實(shí)現(xiàn)兩種控制方式： 15 用位置控制方式時(shí)，單片機(jī)送來(lái)加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629 利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡如圖 13(a)所示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，上述參 數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖 13(b)所示的軌跡。 速度控制方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持 這個(gè)速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度有擾動(dòng)，LM629 可使其平均速度 恒定不變。 圖 11 系統(tǒng)框圖 Fig.11 The system Block Diagram 圖 12 編碼盤(pán)信號(hào) Fig.12 Quadrature Encoder Signals 16 圖 13 運(yùn)行軌跡 Fig.13 Movement track 位置控制時(shí)，LM629要求主處理器提供軌跡參數(shù)。速度、加速度和位置值， 并且這些參數(shù)必須轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)M629所要求的形式。假設(shè)編碼器為500線，要求加速 度為01 rs 、最大速度為02 rs、完成轉(zhuǎn)兩圈的位置控制。其軌跡曲線 如圖13(a)。 LM629所要求的各參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：由于LM629對(duì)其進(jìn)行了4倍頻，所以編碼 器處理結(jié)果如下： 設(shè)PC為需向LM629 寫(xiě)入的目標(biāo)位置值，其單位為counts（編碼器脈沖數(shù))設(shè) L為編碼器500線數(shù)有L=5004=2000；故有PC=L期望轉(zhuǎn)數(shù)=2000100=200000= 0X00030D40，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，LM629計(jì)2000個(gè)數(shù)。 (1)采樣周期: T 為采樣時(shí)間= 20486000000=341S。 (2)速度: 設(shè)V為需向LM629 寫(xiě)入的目標(biāo)速度值，單位為counts/sample。故有 V=LT（期望速度/60）=20003410.000001（600/60） =6.82counts/sample。 折合成16進(jìn)制數(shù)：V=1.36465536=89391.10489391=0 x004432EF。 (3)加速度： 設(shè)A（假設(shè)為每分鐘600轉(zhuǎn)）為需向LM629 寫(xiě)入的目標(biāo)加速度值，單 counts/sample2，故有A=LT期望加速度 =20003410.0000013410.00001=0.00022885counts/sample2。 折合成16進(jìn)制數(shù)：A=0.0000457765536=14.997913615=0 x0000000F。 3.3.1.2 運(yùn)動(dòng)控制字 表 2 LM629 運(yùn)動(dòng)控制字 Table2 Trajectory Control Commands of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 說(shuō) 明 相 對(duì) 位 置 裝 位 置 相 對(duì) 速 度 裝 速 度 相 對(duì) 加 速 裝 加 速 度 不 用 不 用 PW M= 0 快 停 慢 停 速 度 方 式 正 轉(zhuǎn) 不 用 不 用 不 用 17 軌跡參數(shù)編程時(shí)，以LTRJ命令引導(dǎo)，緊隨其后為兩個(gè)字節(jié)的控制字。用戶 能通過(guò)動(dòng)指令輸入加速度、速度、位置、控制方式、轉(zhuǎn)向、停車(chē)方式等數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)有前2個(gè)字節(jié)的內(nèi)容如表2所列。其后緊隨著的是加速度、速度、位置參數(shù) 數(shù)據(jù)。其中加速度和速度都是32位數(shù)據(jù)，它們的低16數(shù)據(jù)都是小數(shù)位。位置數(shù) 據(jù)是30位有符號(hào)數(shù)。 3.3.1.3 PID 參數(shù) 表 3 PID 控制字 Table3 Filter Control word Bit Allocation of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 積 分 極 限 KD KI KP 不用 不用 不用 不用 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 說(shuō) 明 65 53 6 1 1 1 1 1 1 0 LM629 內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字 PID 控制器，用來(lái)控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字 PID 控制器 采用增量式 PID 控制算法，所需的 KP、K I、K D數(shù)據(jù)由 Atmega32 單片機(jī)提供。數(shù) 據(jù)的前 2 個(gè)字節(jié)中，低字節(jié)內(nèi)容如表所列；高字節(jié)存放微分采樣時(shí)間間隔數(shù)據(jù)， 其數(shù)據(jù)格式如表 3 所示。隨后是參數(shù)數(shù)椐，每個(gè)數(shù)據(jù)占 2 個(gè)字節(jié)。順序?yàn)?KP、K I、K D和積分極限。 3.3.1.4 LM629 狀態(tài)和信息 表 4 LM629 的信號(hào)寄存器位內(nèi)容 Table 4 Signals Register Bit Allocation of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 18 說(shuō) 明 下 一 個(gè) in de x 命 令 錯(cuò) 中 斷 運(yùn) 動(dòng) 完 成 中 斷 In de x 脈 沖 中 數(shù) 位 置 信 息 錯(cuò) 中 斷 位 置 超 差 中 斷 斷 點(diǎn) 到 中 斷 停 車(chē) 8 位 輸 入 誤 差 停 運(yùn) 動(dòng) 完 成 速 度 方 式 正 轉(zhuǎn) 執(zhí) 行 UD F 裝 加 速 發(fā) 生 中 斷 Atmega32 單片機(jī)可以寫(xiě) RDSTAT 和 RDSIGS 指令到 LM629，便可以讀出 LM629 的狀態(tài)和寄存器的數(shù)據(jù)，如表 4。通過(guò)判斷中斷的類型，可以更好的 LM629 進(jìn)行相應(yīng)的操作。 例如當(dāng)位置超差的時(shí)候，LM629 的 HI 端口便會(huì)變?yōu)榈碗娖剑@時(shí)單片機(jī)的外部 中斷便可以采樣到中斷的信號(hào)，然后通過(guò)寫(xiě)入 RDSTAT 和 RDSIGS 的指令，然后 讀出具體的中斷源，來(lái)停止對(duì)電機(jī)的控制。 3.3.1.5 LM629 控制字 表 5 LM629 的用戶命令集 Table 5 User Command Set of the LM629 命令 類型 說(shuō)明 十六進(jìn)命令 數(shù)據(jù)字 節(jié) RESET 初始化 LM628 復(fù)位 00 0 PORT8 初始化 8 位的 PWM 05 0 PORT12 初始化 12 位的 PWM 06 0 DFH 初始化 定義原點(diǎn) 02 0 SIP 中斷 設(shè)置 Index 位置 03 0 LPEI 中斷 錯(cuò)誤中斷 1B 2 LPES 中斷 錯(cuò)誤停止 1A 2 SBPA 中斷 設(shè)置絕對(duì)斷點(diǎn) 20 4 SBPR 中斷 設(shè)置相對(duì)斷點(diǎn) 21 4 MSKI 中斷 屏蔽中斷 1C 2 RSTI 中斷 復(fù)位中斷 1D 2 LFIL 裝載 下載 PID 參數(shù) 1E 2 到 10 UDF 裝載 使 PID 參數(shù)有效 04 0 LIRJ 軌跡 下載軌跡參數(shù) 1F 2 到 14 STT 軌跡 啟動(dòng)電機(jī) 01 0 RDSTAT 反饋 讀狀態(tài) 無(wú) 1 19 RDSIGS 反饋 讀寄存器 0C 2 RDIP 反饋 讀 Index 位置 09 4 RDDP 反饋 讀預(yù)定的位置 08 4 RDRP 反饋 讀實(shí)際的位置 0A 4 RDDV 反饋 讀預(yù)定的速度 07 4 RDRV 反饋 讀實(shí)際的速度 0B 2 RDSUM 反饋 讀積分與數(shù)據(jù) 0D 2 LM629 有 22 條指令，單片機(jī)只要通過(guò)這些指令（表 5）可以對(duì) LM629 進(jìn)行控 制，數(shù)據(jù)傳送和了解狀態(tài)信息。 3.3.1.6 LM629 控制部分電路設(shè)計(jì)，如圖 14。 圖14 LM629的原理圖 Fig.14 Schematics of LM629 3.3.2 單片機(jī)模塊 在伺服器領(lǐng)域廣泛采用 MSP430、AVR 等 8 位單片機(jī)。本設(shè)計(jì)亦采用 AVR 系列單片機(jī) ATmega32L 作為模塊處理器。 3.3.2.1 ATmega32L 產(chǎn)品特性 （1） 它是一種高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器 （2） 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 131 條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周 期，32 個(gè) 8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作工作于 16MHz 時(shí)性能高達(dá) 16 MIPS 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。 （3） 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 擦寫(xiě)壽 命: 10,000 次具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)通過(guò)片上 Boot 程序?qū)?現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫(xiě)操作 1024 字節(jié)的 EEPROM 擦寫(xiě)壽命: 100,000 次，2K 字節(jié)片內(nèi) SRAM，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的 20 加密。 （4） JTAG 接口( 與 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) （5） 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過(guò) JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 （6） 豐富的外設(shè)特點(diǎn) （7） 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器， 一 個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器，具有獨(dú) 立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC， 四通道 PWM， 8 路 10 位 ADC，8 個(gè)單端通 道，TQFP 封裝的 7 個(gè)差分通道 2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道； 面向字節(jié)的兩線接口可編程的串行 USART ，可工作 于主機(jī)/ 從機(jī)模式的 SPI 串行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗 定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器。 （8） 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的 RC 振蕩器，片 內(nèi)/片外中斷源。 （9） 6 種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模 式、Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式。 （10） 有 5 個(gè)復(fù)位源 3.3.2.2 ATmega32L 最小系統(tǒng) 21 如圖15是單片機(jī)控制部分電路模塊，Atmega32L單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、 JATG接口便構(gòu)成了一個(gè)最小的系統(tǒng)。 圖15 處理器電路原理圖 Fig.15 The Schematics of Processor 3.3.3 18200 工作原理 采用 LMD18200 實(shí)現(xiàn)受限單極性驅(qū)動(dòng)方式，LMD18200 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公 司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的 H 橋組件 7。同一芯片上集成有 CMOS 控 制電路和 DMOS 功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一 個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。以達(dá)到良好的控制效果。LMD18200 外形結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，電路框圖如圖 16 所示。 圖 16 18200 結(jié)構(gòu)方框圖 Fig.16 18200 with square machine system 22 3.3.3.118200 引腳定義 表 6 LMD18200 引腳號(hào)定義 Table 6 User Command Set of the LM629 引腳號(hào) 名稱 功能描述 1、11 橋臂 1，2 的自 舉輸入電容連接 端 在腳 1 與腳 2、腳 10 與腳 11 之間應(yīng)接入 10uF 的自舉電容 2、10 H 橋輸出端 3 方向輸入端 轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見(jiàn)表 1。該腳控制輸出 1 與輸出 2（腳 2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。 4 剎車(chē)輸入端 剎車(chē)時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見(jiàn)表 1。通過(guò)該端將馬達(dá)繞組短路而使 其剎車(chē)。剎車(chē)時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將 PWM 信號(hào)輸入端（腳 5）置邏輯高電平，3 腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用的器件。3 腳為邏輯高電平時(shí)，H 橋中 2 個(gè)高端晶體管導(dǎo)通；3 腳呈邏輯低電 平時(shí)，H 橋中 2 個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳 4 置邏輯高電平、腳 5 置邏 輯低電平時(shí)，H 橋中所有晶體管關(guān)斷，此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小 的偏流（1.5mA） 。 5 PWM 信號(hào)輸入端 PWM 信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見(jiàn)表 1。該端與 3 腳（方向輸入） 如何使用，決定于 PWM 信號(hào)類型。 6、7 電源正端與負(fù)端 8 電流取樣輸出端 提供電流取樣信號(hào)，典型值為 377 A/A。 9 溫度報(bào)警輸出 溫度報(bào)警輸出，提供溫度報(bào)警信號(hào)。芯片結(jié)溫達(dá) 145時(shí)，該端變 為低電平；結(jié)溫達(dá) 170時(shí)，芯片關(guān)斷。 LMD18200 內(nèi)部集成了四個(gè) DMOS 管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的