基于DSP运动控制器的5R工业机器人系统设计

许泽林

摘 要：機器人的各种运动和操作的重要部件是由运动控制系统来操控的，是通过对电机的控制方式来控制运动控制系统的。电动机主要工作的核心是芯片，这个芯片就是数字信号处理器（DSP），它是一种广泛应用于机器人控制中的控制系统的核心芯片，其具有很多优点，如控制的精准度高、可重复、稳定、可靠性好，能够满足机器人的复杂控制要求。被广泛应用，其作用有很多，不仅可以对电机进行控制，还可以实现电机的转速检测，进一步反馈机器人的运动控制系统发出的信号，通过信号反馈实现更加精准的控制。本篇文章基于DSP运动控制器对机器人进行系统设计，以其控制芯片为基础描述了三大模块应用，主要内容包括运动控制系统的硬件和结构设计，为读者在设计方案上提供相应的参考。

关键词：DSP；运动控制；5R机器人；

一、运动控制系统的三大模块

（一）核心处理模块 核心处理模块DSP在机器人运动控制系统上有很多功能，包括完成任务调度、轨迹插补、运动控制、状态监控等。在调试机器人的时候，我们一般采用的是美国TI公司的 TMS320F2812处理器，可以通过它在运动控制的过程中实时记录位置、速度、加速度信息，不仅如此，还可以执行复杂的控制算法，通常会采用CY7CL041来扩大数据存储空间和程序存储空间，解决程序空间和数据空间较小的问题，并将其映射到DSP外部存储区域中。现在系统使用的是CPLD，是由Altera公司推出的 EMP240T100，主要实现三个功能：①地址译码，根据DSP的地址信号，内部专门设计进行地址译码电路，产生相应的片选信号，选通SDRAM、DA、以及双端口RAM；②外部中断逻辑判断，意思就是对伺服电机的伺服报警信号和同零信号以及双端口RAM的BUSY信号检测、判断，产生时向DSP申请中断；③作为DSP外扩I/O，CPLD还起到电平转换的作用。

（二）通信模块 通信模块主要的功能就是完成上位机数据交换、任务传输、状态通告等。为了满足通讯传输的数据量大、实时性要求高的需求，多数采用PCI总线的通讯方式。PCI总线的控制芯片是采用PLX公司的 PCI9052。同时在DSP和PCI控制芯片之间加入了双端口RAM为了提高数据传输的速度，还可作为数据存储缓存区。

（三）外设模块 外设模块包括DA模块、PWM模块，DA模块和PWM模块输出伺服电机的控制电压或脉冲，还包括电平转换、光电隔离模块以及通用10模块等。模块之间有不同的任务，其中DA模块和PWM模块是用于完成伺服电机的运动速度或位置0的调整，电平转换和光电隔离模块主要的任务是转换不同电压信号和提高系统的抗干扰能力，通用10模块主要是对电机状态模式进行控制和检测。

二、基于DSP运动控制的机器人控制系统的结构和硬件设计

（一）机器人控制系统的整体结构 机器人要实现仿人的运动控制系统，主要由几个子系统组成闭环的控制系统，子系统包括：通信系统、传感系统、运动控制系统以及规划决策系统，通过他们协调、合作共同完成机器人的运动操作。机器人要想正常运行，必须经过一系列的指控环节，首先由视觉传感系统对工作环境的信息进行扫描，信息采集过后需要分析，这一步由通信系统传递到规划决策系统进行整理，处理完毕开始发出对机器人运动控制的指令，控制指令再次经过通信系统传递到运动控制系统进行机器人各控制部分的控制。

（二）运动控制系统的设计 在进行机器人运动控制系统的设计时前提条件是控制器的选择，选择合适的控制器对机器人控制是很必要的，好的控制器具有较强的运算能力和稳定性，对它的选择需要满足快速的接受高级的控制指令，并对发出的指令进行分析，再对分析结果输出相应的控制信号。另外，对电机也需要选择，电机是机器人执行结构，它的选择由机器人的功能需求和操作要求所决定。步进电机具有维护方便，通信简单，直接接受数字信号的优点，作为现代机器人设计中应用较多的电机类型，但是在运行的过程中，它负载过大会造成电机的失步或者停止，因此需要选择扭矩大的步进电机。

（三）运动控制系统硬件电路的设计

运动控制系统硬件电路具有模数转换电路、时钟电路、复位电路、信号隔离电路和串行接口电路这几部分。下面我们对这些一一进行讲解：

1.数模转换电路 DSP控制器在运行过程中需要的是数字信号，而传感系统采集的信号以及从外部输入的信号是模拟信号，因此就需要设置一个数模转换电路来完成信号的转换。

2.时钟电路

本系统选用的DSP控制器，在XTAL1/CLKIN和XTAL2之间并联一个晶体，晶体在运动控制系统内部形成晶振电路，在机器人运动控制设计过程中，硬件接口不同就会导致产生访问速度快慢差别，如果不控制在同时序，很可能会造成程序和运动控制的混乱，为调整时序需要在外界设置插入等待状态发生器。

3.复位电路

复位电路作为运动控制系统正常运行的必要硬件组成部分，其在程序运行的初始阶段对寄存器和输入输出端口进行复位，维持保证程序的正常运行。

4.信号隔离电路

由于步进电机在运行的过程中可以产生感性负载，且它的工作电压高于DSP系统电压，因此需要设置隔离电路，作用是将DSP控制器与步进电机的驱动电路隔离，隔离采用的工具是光电耦合器，它对隔离信号有很强的作用，进而使信号之间互相干扰的可能性降低。

5.串行接口电路

串行接口电路作为机器人运动控制系统通信的主要通道，是在控制系统与其他系统之间进行的，串行通信接口可以独立中断接受和发送信号，完成独立工作，维持CPU和使用标准格式的设备之间的通信。

结语：

随着科技发展，机器人的生产越来越广泛，工业生产伴随着科学技术的步伐向前迈进，进一步推动了工业生产自动化程度，提高人类生活的智能化。机器人在工农业、人类生活等多方面已经被广泛的利用。机器人技术包含了自动控制技术、微电子与计算机技术、传感与信息处理技术、人工智能技术与仿生学等多门学科，机器人的研究成果是一个综合性强的技术高含量的学科。机器人的出现打破了传统工业生产的过程，改变人类的生活方式，它可以代替人类做一些事情，实现了生产的智能化、机械化和自动化，推动了科学技术的发展。

参考文献：

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