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标题: 基于PIC芯片嵌入式电机控制器的研究 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 19:17
标题: 基于PIC芯片嵌入式电机控制器的研究

　　0 引言
　　随着现代科学技术的飞速发展和社会的进步，服务机器人与人们的生活联系越来越紧密，故日益受到关注。电机控制器作为机器人的核心部分，直接决定了其功能和性能。虽然用于工业机器人的伺服电机控制器技术已经成熟，但用于服务机器人的伺服电机控制器的研究和开发仍然存在许多问题。开发一种“具有开放式结构的模块化、标准化、小型化的嵌入式电机控制器”已经成为当前服务机器人控制器的一个发展方向。
　　基于美国Microchip公司生产的PIC单片机具有速度快、体积小、低功耗、驱动能力大、可靠性高等优点，故采用该系列微型芯片：PIC18F452开发了一种小型嵌入式电机控制器。该控制器和主控微机、驱动器共同构成机器人伺服控制系统。伺服控制系统采取了可变的控制模式，并且控制器能和驱动电机一起安装在机器人的各个关节，因此特别适合电池驱动的多轴服务机器人的应用。
　　本文着重介绍控制器的软件构造、操作指令和通信模式。设计了一种使用方便的指令模式，该模式能识别几十种指令语句，并容易实现对指令语句的扩展。同时用串口方式形成机器人伺服控制系统的神经网络，各个小型控制器不但能和主控微机之间通信，而且各个控制器之间也可以进行信息交流。为了保证通信的连续性和可靠性，该伺服控制系统具有通信错误处理机制。
　　1 控制器的软件构造
　　该控制系统最大的特点在于位置、速度、电流三种控制方式可随时变更。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用PWM脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电机的电枢端电压，实现系统的平滑调速。在每一个控制周期，三种控制模式独立计算，控制器将计算结果以PWM信号形式输出到电机驱动器，同时电机的位置、速度和电流能实时测量并送到主控微机，从而机器人的各个关节能根据不同的外部环境采取不同的控制方式。该控制器的控制原理如图1所示。

　　2 操作指令
　　该控制器的操作指令包括控制指令、设定指令、询问指令等。指令格式的最高字节为命令字节，即控制器的ID号和Code(指令号)。ID指出控制器的识别号码，Code指出指令代码，它们各占4位。
　　需要注意的是，对于控制和设定指令，紧随命令字节的是n个字节组成的控制或设定指令数据，但询问指令仅有命令字节，没有指令数据。
　　2．1 控制指令
　　伺服控制系统的三种控制模式均有相应的控制指令。
　　位置控制应用于进行连续点控制的插补点位置控制。位置控制数据由三个字节的有符号数来表示，其最大值和最小值分别为223-1(=7FFFFFH)和-223+1(=800000H)。其中，0H～7FFFFF为电机的正方向，800000H～FFFFFFH为电机的负方向。位置控制指令的格式如图3所示。

　　运动范围设定指令用于设定机器人关节的极限位置，其指令格式如图5所示。其中动作端A和动作端B分别表示正方向的最大和最小位置。

　　3 通信
　　3．1 控制系统连接方式
　　由于该控制器的通信接口为RS 485，PC机一般只有常用的RS 232串行通信口，主控微机通过转换器将标准的RS 232C转换为RS 485后与控制器连接。一个串口可接16个控制器。控制器包括串联通信接口，电机位置传感器脉冲接收接口，电机电流检测A／D转换接口，PWM控制输出接口和其他I／O接口。主控微机、控制器、驱动器和电机的连接如图7所示。

　　3．2 通信时间
　　主控微机和控制器之间的通信速率为38 400 b／s。在每一个控制周期，设计了两次接收和送信程序，即控制器在一个控制周期最多可同时接收和送出两个字节的数据。需要注意的是，主控微机和控制器之间采用的是10位为一帧的异步串行通信方式，因此每个字节的通信时间还应包括帧的起始位和停止位的传输时间。若传输两个字节的数据，则通信时间为[2×(8+2)×1 000]／38 400=0．521 ms，依此类推，即可计算出各指令的通信时间。主要指令及其通信时间如表1所示。

　　位置控制实验结果如图10所示。位置控制的单位是编码器的脉冲数(Pulse)。图10指出当目标位置是2 795时，位置控制能够精确地控制电机到达指定的位置。通过多次重复实验，其误差均小于±0．2脉冲。

　　电流控制实验结果如图12所示。电流控制以电机的额定电流与最大指令比(A／7 FH)为单位。图12指出当目标电流是2 A时，电流控制能够精确地控制电机在指定的电流下运行。通过多次重复实验，其误差均小于±0．1 A。

　　实验表明本文提出的控制器位置精度、速度精度、电流精度能满足多轴服务机器人的需要。
　　5 结语
　　提出的控制器为嵌入式服务机器人控制器的研究和开发提供了一种新的控制和通信模式。实验结果指出该控制器的控制精度能满足多轴服务机器人的需要。该项目的研究将有助于推动我国服务机器人控制器的发展，具有较好的应用前景。

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