0 引言

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人信息處理和控制的主體，其設(shè)計好壞將決定機(jī)器人系統(tǒng)的整體行為和性能。機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般可分為三種類型：（1）集中控制方式，利用一臺微型計算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部功能，這種方式具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但處理能力有限，難以滿足高性能控制要求并且控制風(fēng)險高度集中。（2）主從控制方式，用主從兩個CPU進(jìn)行控制，主CPU擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理，機(jī)器人語言編譯和人機(jī)接口功能，同時也利用它的運(yùn)算能力完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ);從CPU完成全部關(guān)節(jié)位置數(shù)字控制，主從CPU間通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，對采用更多的CPU進(jìn)一步分散功能比較困難。（3）分布式控制，普遍采用上、下位機(jī)二級分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理以及運(yùn)動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等，下位機(jī)由多個CPU組成，每個CPU控制一個關(guān)節(jié)運(yùn)動，這些CPU和上位機(jī)通過總線形式相聯(lián)系。這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高，是一種比較理想的機(jī)器人控制方式[1]。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器采用MCU作為控制芯片，其運(yùn)算速度和處理能力難以滿足日益復(fù)雜的機(jī)器人控制。在通訊方式上，常用的是RS422或RS485通訊，通訊的實(shí)時性較差，故障率較高，出現(xiàn)故障時，不容易排查[2]。本文所設(shè)計的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用分布式控制方式，上位機(jī)采用高性能的工業(yè)PC機(jī)，下位關(guān)節(jié)控制器選用集成DSP的高速運(yùn)算處理能力和MCU的控制特性于一體的Motorola DSP56F807作為控制芯片，上位機(jī)和下位各關(guān)節(jié)控制器之間采用了有效地支持分布式控制和實(shí)時控制的CAN（Controller Area Network）總線通訊方式，既能快速地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制的復(fù)雜算法，又具有較高的控制實(shí)時性，是一個高性能的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人是一個多自由度系統(tǒng)。機(jī)器人控制本質(zhì)上是對各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動進(jìn)行控制，使其協(xié)調(diào)運(yùn)動，從而完成一些相對復(fù)雜的動作。該控制系統(tǒng)采用分布式控制方式，由上位主控計算機(jī)模塊、通訊模塊和下位關(guān)節(jié)控制器模塊組成，如圖1 所示。上位主控計算機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的調(diào)度管理、在線運(yùn)動規(guī)劃、故障診斷和人機(jī)交互等功能;通訊模塊負(fù)責(zé)上位計算機(jī)與下位各關(guān)節(jié)控制器之間的實(shí)時信息交換;各關(guān)節(jié)控制器和驅(qū)動直流無刷電機(jī)集成在一起，各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動由各關(guān)節(jié)控制器發(fā)出PWM信號驅(qū)動直流無刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖1控制系統(tǒng)簡圖

1.1 上位主控計算機(jī)模塊

　　上位計算機(jī)是控制系統(tǒng)的中樞，要求體積小，運(yùn)算速度快，滿足機(jī)器人實(shí)時控制的要求,通常采用高性能工業(yè)控制計算機(jī)。上位機(jī)應(yīng)用程序在可視化編程環(huán)境VC++6.0下編制，分為程序界面、通訊初始化部分和控制部分。控制部分是整個上位機(jī)軟件控制的核心，可實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)控制和多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制，圖2為單關(guān)節(jié)控制部分流程圖，單關(guān)節(jié)控制是從上位機(jī)輸入關(guān)節(jié)應(yīng)該運(yùn)動的期望位置值，然后向下位關(guān)節(jié)控制器發(fā)送單關(guān)節(jié)控制指令，并從下位關(guān)節(jié)控制器接受關(guān)節(jié)實(shí)際位置信息;下位關(guān)節(jié)控制器從上位機(jī)接收位置信息并加以運(yùn)算處理，輸出PWM信號驅(qū)動直流無刷電機(jī)運(yùn)動到期望位置。上位計算機(jī)的控制周期為20ms，它通過CAN總線接口卡連接到通訊總線上，與通訊總線上的各關(guān)節(jié)控制器交互信息。

圖2上位機(jī)單關(guān)節(jié)控制程序流程圖

1.2 通訊模塊

　　機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)中，對通信方式的選擇至關(guān)重要，上位計算機(jī)和下位各關(guān)節(jié)控制器間的通信既要滿足硬件連接簡單，擴(kuò)充方便，又要滿足通信的高可靠性和實(shí)時性。本設(shè)計采用CAN總線作為通信標(biāo)準(zhǔn)，CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信網(wǎng)絡(luò)相比具有可靠性高、實(shí)時性和靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為機(jī)器人控制系統(tǒng)中的通訊方式[3]。

　　本控制系統(tǒng)中，上位計算機(jī)通過周立功單片機(jī)公司的USBCAN-II智能CAN接口卡連接到CAN網(wǎng)絡(luò)，在上位機(jī)中調(diào)用隨卡提供的ZLGVCI驅(qū)動庫函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)CAN通信的管理和監(jiān)控。CAN網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備間通過雙絞線連接，因?yàn)殡p絞線的特性阻抗為120歐，為了增強(qiáng)CAN通信的可靠性和抗干擾性，在CAN網(wǎng)絡(luò)的兩個端點(diǎn)加入120歐的抑制反射的終端匹配電阻。

1.3 下位關(guān)節(jié)控制器模塊

　　下位關(guān)節(jié)控制器模塊是整個控制系統(tǒng)的底層，與各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)集成在一起，實(shí)際上是一個單關(guān)節(jié)運(yùn)動控制和驅(qū)動模塊，主要用來控制各個關(guān)節(jié)運(yùn)動具體執(zhí)行過程。關(guān)節(jié)控制器接收主控計算機(jī)的控制命令,對各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動進(jìn)行控制，同時把底層信息反饋給上位計算機(jī)，便于上位計算機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃，統(tǒng)一管理。所有的下位關(guān)節(jié)控制器在硬件結(jié)構(gòu)上完全相同，根據(jù)各關(guān)節(jié)運(yùn)動控制的差異，內(nèi)部灌注的軟件程序有所不同。關(guān)節(jié)控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，也是本文研究的重點(diǎn)，它的性能好壞直接關(guān)系到機(jī)器人的整體性能。

2 控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　控制器硬件系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)和功能可分為主處理器單元、電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、CAN接口電路、欠壓保護(hù)電路、過流檢測電路等模塊，具體電路如圖3所示。[!--empirenews.page--]

圖3控制器硬件電路原理簡圖

2.1 主處理器芯片

　　本設(shè)計核心控制芯片采用Motorola DSP56F807，該芯片混合了DSP 的高速運(yùn)算能力與MCU 的控制特性于一體，提供了許多專用于電動機(jī)控制的外設(shè)，包括兩個脈寬調(diào)制模塊（PWMA、PWMB）、2個相位檢測器模塊（quadrature decoder）、12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、4個定時器模塊、通訊外設(shè)模塊（SCI、SPI、CAN）等，因此非常適合于對實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動的直流無刷電機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制[4]。

2.2 CAN接口電路

　　DSP56F807芯片內(nèi)集成了CAN控制器，要完成數(shù)據(jù)幀的收發(fā)還需外加CAN驅(qū)動器芯片，本設(shè)計采用Philips公司的PCA82C250為CAN驅(qū)動器。為了增強(qiáng)抗外部干擾，在DSP56F807的MSCAN_TX和MSCAN_RX引腳與CAN驅(qū)動器之間加兩個高速光電耦合器6N137。

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

　　電機(jī)驅(qū)動采用Motorola公司的MPM3003，它內(nèi)部由上橋臂的3個P-溝道功率型MOSFET 和下橋臂的3個N-溝道功率型MOSFET組成三相橋式電路，是理想的伺服電機(jī)驅(qū)動集成電路芯片[5]。因PWM輸出電壓不能直接推動MPM3003，在PWM輸出口和MPM3003之間加一個TTL到CMOS轉(zhuǎn)換芯片MC14504B。

2.4 電源電路

　　控制器上同時需要5.0V 和3.3V 兩種電源。外部采用的是直流24V電源，通過MAX724將24V 穩(wěn)壓到5.0V，再通過MAX604將5.0V穩(wěn)壓到3.3V。為了減少電磁干擾，使用磁珠隔離3.3V 的數(shù)字電源和模擬電源。

　　因篇幅有限，其它的電路模塊不再一一介紹。

3 控制器軟件設(shè)計

　　控制器軟件設(shè)計是在Codewarrior6.0集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，采用模塊化設(shè)計，可分為初始化模塊、主循環(huán)模塊和中斷子程序模塊，整個控制功能由各中斷子程序?qū)崿F(xiàn)，如圖4所示。初始化模塊的作用是初始化DSP 及控制參數(shù)，主循環(huán)模塊是一個死循環(huán)，主要是查詢是否有中斷產(chǎn)生，如果有中斷則轉(zhuǎn)而去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。數(shù)字PID控制子程序是實(shí)現(xiàn)控制功能的主體，完成對關(guān)節(jié)的位置、速度PID控制，通過定時器中斷實(shí)現(xiàn)。

圖4控制器軟件結(jié)構(gòu)簡圖

　　對于數(shù)字PID控制子程序中的PID算法，采用了一種改進(jìn)的變速積分PID算法，有效地克服了常規(guī)PID算法中出現(xiàn)積分飽和時，造成超調(diào)量增加，使調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞的缺點(diǎn)。變速積分法的基本思想是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)，偏差大時，減弱積分作用，反之則加強(qiáng)。

　　常規(guī)PID算法數(shù)字離散化為：

式中，KP,KI,KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù);E（k）,E（k-1）分別為第k次和k-1次的期望偏差值;U（k）為第k次的調(diào)節(jié)器輸出。

　　改進(jìn)后的變速積分PID算法為：

　f[E（k）]是E（k）的函數(shù)，當(dāng)|E（k）|≤B時，進(jìn)行常規(guī)的PID控制;當(dāng)|E（k）|>（A+B）后，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加;而當(dāng)B<|E（k）|>（A+B）時，f[E（k）]隨E（k）的減小而增大,累加速度加快。其中，A，B為分離區(qū)間。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計的機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)，采用CAN總線作為通信方式，和過去機(jī)器人控制中常用的RS485總線相比具有通訊穩(wěn)定可靠、實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)。在下位關(guān)節(jié)控制器中選用了Motorola DSP56F807作為控制芯片，既能方便地利用豐富的外圍模塊實(shí)現(xiàn)控制功能，又能以較快的運(yùn)算速度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，克服了過去利用MCU作為控制芯片時，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法的缺點(diǎn)。在控制器軟件中采用了改進(jìn)的變速積分PID算法，對關(guān)節(jié)位置、速度進(jìn)行數(shù)字PID控制。該控制系統(tǒng)即插即用，功能擴(kuò)展和故障處理方便;連線簡單，過去對6DOF的機(jī)械手進(jìn)行控制,需118根線纜（包括電機(jī)線、傳感器線和其它開關(guān)量控制線），現(xiàn)在只需一根雙絞線，外觀也很美觀;另外，各關(guān)節(jié)控制器直接分布在控制現(xiàn)場，使模擬信號傳輸距離明顯縮短，有效地改善了抗干擾能力。