智能机器人运动关节集成驱动控制器研究

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1、智能机器人运动关节集成驱动控制器研究熊新民，曹毅(河南工业大学电气工程学院，郑州450007)摘要：根据智能机器人的控制要求，提出了机器人控制系统的顶层核心控制器和底层运动控制器的双层结构，底层与顶层基于CAN总线完成关节状态信息的上传和运动指令的下达。在此基础上，采用高速DSP、IPM功率智能模块、光电编码器、无刷直流电机等构建了机器人运动关节集成驱动控制器的硬件电路，并完成了相应软件设计。结果表明，这种集成驱动控制器简化了层间联系，提高了响应速度，增加了整体集成度，有利于运动关节的驱动控制一体化。关键词：机器人；运动关节；DSP；集成驱动控制器中图分类号：TP27

2、2文献标识码：B0引言运动关节是智能机器人的重要组成部分。运动关节的控制和驱动技术是智能机器人的关键技术。因此，研究运动关节集成驱动控制器对提高机器人运动的控制精度和改善运动水平十分有益。目前该领域的研究正在取得积极进展。文献[1]针对四足仿生机器人分层分布式控制系统，研究了由嵌入CAN控制器的单片机AT89C51CC01、电机运动控制芯片LM629和电机驱动芯片LMD18425组成的关节运动控制器。文献[2]设计并实现了一种位于机器人模块化控制体系底层的基于CAN总线的运动控制系统。它采用AT89S52单片机、专用运动控制芯片和驱动芯片以及光电编码器实现了机器人关节

3、的伺服闭环运动控制，采用CAN总线通讯接口支持多关节实时控制。文献[3]设计并实现了一种基于DSP的机器人控制系统，给出了系统的硬件结构及DSP运行的主流程，采用了改进PD伺服控制算法。文献[4]采用ARM处理器以及FPGA设计了一种多轴电机伺服运动控制器。文献[5]研究了一种研磨抛光机器人运动控制器。文献[6]设计了一种大电流直流电机驱动器。但上述研究主要围绕集中控制，对机器人分布控制还是研究不足。因此，本文在此基础上，以高速DSP为核心，尝试按照分布式控制的思路，把机器人每个运动关节的检测、传输、规划、控制和驱动部分整合成一个集成驱动控制器，使之与机器人核心控制器

4、分工合作，更好更快地指挥和控制机器人的关节运动，并让整个机器人各关节的运动达到协调一致的目的。1智能机器人控制系统的总体结构智能机器人由于关节众多，因此具有很多自由度。每个关节都需要检测、控制和驱动等环节，整个系统还要有运动规划和中央控制，如果把这些功能全部集中在一个核心控制器上，显然将会不堪重负。特别是对那些需要同步运动的关节来说，很难保证实时性和协调性。因此最好的办法应该是将整个机器人控制系统分为两个层次，一是顶层的中央核心控制器，负责机器人的运动规划和总体控制；一是底层的运动关节驱动控制器，负责每一个自由度的运动关节的检测、控制和驱动。顶层控制器只有一个，而底层

5、控制器个数等于运动关节的个数或自由度的个数。顶层与底层之间通过CAN总线相连。加上电源线，顶层只需要引出几根线即可，底层都可以直接挂在CAN总线上。这样核心控制器只要在收集各关节的运动状态信息基础上，完成整个机器人的姿态估计和运动规划，然后发出各关节的运动控制指令即可，其余工作可由各关节的底层驱动控制器完成。这种基于CAN总线的分布式（集散式）机器人控制系统总体结构如图1所示。郑州市科技攻关项目（07-2-38）机器人核心控制器CAN总线集关节控制器关节控制器关节控制器成·驱·动驱动器驱动器驱动器控·制·器执行电机执行电机执行电机图1机器人控制系统总体结构2运动关节集

6、成驱动控制器的功能与实现2.1控制功能这里所谓运动关节集成驱动控制器是指总体结构图中CAN总线下面的N个自由度之一的部分。它把该关节的状态检测、运动控制、伺服驱动和执行电机集成为一个整体。实际上也就是在执行电机轴上安装同轴光电旋转编码器，在执行电机外壳上搭载驱动模块和控制器板，形成一个检测、控制、驱动、执行和总线传输五位一体的运动关节集成驱动控制器。该驱动控制器的基本结构已如图1所示，相应的功能如下：①检测该关节的状态（主要包括执行电机的转角位置和速度等），并通过CAN总线上传；②检测电机电流，以便形成闭环；③接收机器人核心控制器的运动指令；④根据状态和指令，按闭环结

7、构完成该关节的运动控制算法；⑤根据运算结果控制执行电机完成相应运动。2.2电路实现该运动关节集成驱动控制器主要由TMS320LF2812DSP、智能功率模块IPM、位置—速度—电流检测电路、无刷电机和光电编码器构成，其实现电路如图2所示。执行部分也可采用伺服电机或步进电机及其驱动电路来实现。其中TMS320LF2812是工作频率达150MHz的高速DSP，而且它还具备标准CAN接口、旋转编码器接口、三相PWM信号发生器和输出电路，因此便于实现控制器间通讯、光电编码器连接、三相PWM驱动和保护，特别适用于需要快速运算和实时同步的智能机器人控制系统。同时