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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計 手動機器人自控系統(tǒng)設(shè)計（2012年全國大學生機器人大 賽手動機器人設(shè)計） THE DESIGN OF MANUAL ROBOT CONTROL SYSTEM （THE DESIGN OF MANUAL ROBOT OF THE ABU ROBOCON IN 2012） 學生姓名： 學 號： 年級專業(yè)及班級： 指導老師及職稱： 副教授 學 院：工學院 湖南·長沙 提交日期：2013年05月 目 錄 摘 要 ...............................................................................................................................1 關(guān)鍵詞 ...............................................................................................................................1 1 前言 ...............................................................................................................................2 1.1 2012Robocon 賽制簡介 ............................................................................................2 1.1.1 比賽主題 ...............................................................................................................2 1.1.2 比賽規(guī)則 ...............................................................................................................2 1.2 手動機器人任務簡述 ...............................................................................................3 1.3 本次機器人設(shè)計原則 ...............................................................................................4 1.4 策略概要 ...................................................................................................................4 2 手動機器人的總體設(shè)計 ...............................................................................................5 2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...........................................................................................................5 2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計 ...........................................................................................................6 3. 手動機器人硬件電路設(shè)計 ..........................................................................................7 3.1 CPU 選擇 ....................................................................................................................7 3.1.1 最小系統(tǒng)原理圖 .................................................................................................10 3.2 電機選型 .................................................................................................................11 3.3 直流伺服電機驅(qū)動模塊設(shè)計 .................................................................................12 3.3.1 LM629 驅(qū)動模塊 ..................................................................................................13 3.3.2 單片機模塊 .........................................................................................................19 3.3.3 18200 工作原理 ..................................................................................................20 3.4 電源模塊 .................................................................................................................23 3.4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計 .....................................................................................................23 3.4.2 STM32 控制板電源設(shè)計 ......................................................................................23 3.4.3 過流保護與欠壓保護電路設(shè)計 .........................................................................24 3.5 通信模塊 .................................................................................................................25 3.6 人機交互模塊 .........................................................................................................26 3.7 信號隔離電路設(shè)計 .................................................................................................28 3.8 編碼盤采樣模塊電路設(shè)計 .....................................................................................28 3.9 復位電路設(shè)計 .........................................................................................................29 3.10 硬件抗干擾及可靠性保證 ...................................................................................29 4 手動機器人軟件及算法論證 .....................................................................................30 4.1 主控板程序流程圖 .................................................................................................30 4.2 Atmega32L 程序流程圖 ..........................................................................................31 4.3 PWM 的產(chǎn)生 ..............................................................................................................31 4.3.1 軟件生成 PWM......................................................................................................31 4.3.2 硬件生成 PWM......................................................................................................32 5 調(diào)試工具和方法介紹 .................................................................................................35 5.1 應用 Protues 進行調(diào)試與仿真 .............................................................................35 5.2 應用 IAR Embedded Workbench for ARM 進行編程調(diào)試 ...................................36 6 結(jié)論 .............................................................................................................................36 參考文獻 .........................................................................................................................37 致謝 .................................................................................................................................37 附錄 .................................................................................................................................38 1 手動機器人自控系統(tǒng)設(shè)計（2012年全國大學生機器人 大賽手動機器人設(shè)計） 學 生： 指導老師： （） 摘 要：在國內(nèi)外機器人競賽熱潮的背景下，作為人才新生主力軍的大學生，自制 機器人參加各種比賽已經(jīng)成為了大學校園里一道亮麗的風景線。作為湖南農(nóng)業(yè)大學參賽代 表之一，我參加了2012年亞太大學生機器人大賽的各項活動，參與了機器人的設(shè)計和制作 整個過程，在創(chuàng)新設(shè)計能力、動手能力和培養(yǎng)團隊合作精神等方面都得到了很大提高。而 本次設(shè)計的手動機器人是一臺自動化程度較高、控制精確靈活的機器人，這臺手動機器人 由行走模塊、主控模塊和機械手臂等組成。需要完成一定難度的硬幣精確抓放，搬運收集 機器人并精確放置等工作（題目源于2012年亞太大學生機器人大賽） 。這對機器人的競爭力、 靈活性、準確性有較高要求。手動機器人的控制系統(tǒng)采用基于 STM32的 CorTex -M3內(nèi)核的 開發(fā)板作為底層控制模塊，充分利用該款單片機高速處理能力與可靠性高的優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞：機器人；驅(qū)動；通信；PID 算法 ；PWM 調(diào)速； The Design Of Manual Robot Control System（The Design Of Manual Robot Of The ABU ROBOCON In 2012） Student:Xu Yang Tutor:Kang Jiang (College of Engineering , Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract:In the situation of the booming robotics competition at home and abroad, as the main force of college students of the talent newborn ,the phenomenon of sending homemade robots to various competitions has become a beautiful landscape in the university. 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 智能化機器人在國民經(jīng)濟中所起到的作用越來預明顯，在人力資本日漸增 加的背景下，智能化機器人這種新型技術(shù)取代人力勞動是社會發(fā)展的必然趨勢。 智能化機器人涉及多學科交叉綜合，它是人工智能、機器人技術(shù)、通信技術(shù)、 傳感器技術(shù)、信息及編程技術(shù)、計算機學、材料學、電子技術(shù)、傳動技術(shù)、接 口技術(shù)、單片機原理、精密機械技術(shù)、自動控制理論、伺服傳動技術(shù)等諸多領(lǐng) 域的技術(shù)集成 [1]。本次畢業(yè)設(shè)計選題來源于2012年全國大學生機器人比賽的項 目，論文內(nèi)容是關(guān)于手動機器人自動控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計，由于比賽整體水 平的不斷加深，因此本次設(shè)計的技術(shù)也較以往有了很大方面的改進 [2]。 1.1 2012robocon 賽制簡介 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，旨在祈求平安。 1.1.2 比賽規(guī)則 比賽要求每只參賽隊伍由一臺手動機器人，一臺自動機器人和一臺收集機 器人共三臺機器人組成。首先，手動機器人從硬幣架上拿起硬幣投到硬幣箱中。 然后，自動機器人啟動把公共區(qū)的籃子搬到手動區(qū)并回到啟動區(qū)，與此同時， 手動機器人需要把收集機器人搬起運到自動機器人上，由手動機器人把收集機 器人搬運到自動機器人上。最后，收集機器人爬上小島，把底層和中間層的包 3 子抓取并放到籃子里，再由手動機器人把收集機器人托起抓取頂層包子放到籃 子里，完成任務。期間不能違反比賽要求，用時最少完成任務或得分最多的獲 勝。比賽場地如圖 1 所示。 圖 1 比賽場地規(guī)格 Fig .1 Game Field Specifications 1.2 手動機器人任務簡述 手動機器人的主要任務有： 1) 手動機器人啟動后需要從硬幣架拿起硬幣并放入硬幣箱； 2) 在沒犯規(guī)的前提下，手動機器人必須穿越隧道，到達搜集機器人所在區(qū) 域并搬運搜集機器人至自動機器人 A（5 區(qū)）區(qū)域（見圖 2） ； 3) 手動機器人搬運放在手動區(qū)的籃子（4 區(qū)）按照圖中所示路線回到啟動 區(qū)（6 區(qū)） ，并將籃子放置在小島上的放籃區(qū)； 4) 手動機器人托起搜集機器人夾取包山最頂層包子，手動機器人和搜集機 器人之間通過非射頻方式通信； 5) 在比賽規(guī)定時間（三分鐘）的最后一分鐘內(nèi)，手動機器人可以直接從底 層開始夾取包子； 6) 當搜集機器人完成每層至少一個包子的夾取和投放，比賽立即宣布結(jié)束， 完成規(guī)定任務并耗時最短的獲勝，未完成任務按照得分多少衡量勝負。 4 由于比賽規(guī)則限定：手動機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機器人優(yōu)先啟動，這就要求手動機器人穩(wěn)定性高、速度快、 定位精準，所以對手動機器人的要求更高。 圖 2 手動機器人行動路線示意圖 Fig .2 The schematic diagram of Manual robot walking route 1.3 本次機器人設(shè)計原則 基于對以往比賽經(jīng)驗的總結(jié)和對此次參賽機器人的性能等各方面的要求， 此次設(shè)計的重點主要考驗的是機器人的行走路線、機器人運行的穩(wěn)定性、快速 性、準確性以及可操作性。在小組討論后，我們制定了如下機器人設(shè)計原則。 1)機器人必須與大賽的主題相吻合，創(chuàng)意獨到。 2)機器人必須穩(wěn)、準、快。指機器人運動的機動性、穩(wěn)定性和取放硬幣的 準確性。速度只有與機動性、靈巧性和準確性結(jié)合才能相得益彰。才能在競爭 中獲得勝利。 3)機器人應具有高智能，機器人在人機交互模塊中一定要具備優(yōu)秀的可操 作性。 4)機器人代表隊的配合默契程度。指自動機器人、手控機器人的配合要好， 因為比賽不是比拼單臺機器人的功能,小組特別強調(diào)機器人團隊之間的協(xié)同作戰(zhàn)。 1.4 策略概要 在比賽一開始手動機器人就以最短路線運動到硬幣所在區(qū)域，并抓取硬幣 5 投放到硬幣箱中，在抓取過程中可以用啟動按鈕控制機器人走自動程序精確定 位并抓取，這樣有效地為自動機器人運行爭取了部分時間，比賽過程中不同機 器人之間使用非射頻方式進行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機器人之間完成相 應任務,所以在比賽中我們可以選擇手動機器人的第一步走自動程序完成抓放硬 幣的工作。 2 手動機器人的總體設(shè)計 2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于在比賽過程中手動操作者必須坐在手動機器人上進行相應任務，所以 整個手動機器人選取由壁厚為 1.2mm、25×25mm 的不銹鋼方管焊接而成，可保 證其強度。底盤采用后驅(qū)形式，兩后輪單獨用電機驅(qū)動，兩前輪采用萬向輪結(jié) 構(gòu)。在這個輪系結(jié)構(gòu)當中，當左右后輪電機轉(zhuǎn)速不同時，左右后兩輪的轉(zhuǎn)速不 同，而前輪只是起支撐作用，從而實現(xiàn)手動機器人的轉(zhuǎn)彎。電機與驅(qū)動輪之間 我們采用鏈條傳動方式。由于手動機器人在賽中要抬起一臺和自身相當重的自 動機器人，而普通的電機達不到自鎖能力，所以我們額外給升降結(jié)構(gòu)增加一個 棘輪機構(gòu)來實現(xiàn)普通電機的這個缺陷。對于升降機構(gòu)，為了增強它的承載能力， 我們借鑒電梯的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個內(nèi)滑式滑塊。圖 3 為手動機器人的整體簡易 三維圖。 圖 3 手動機器人整體三維圖 6 Fig .3 Electric car 3D figure as a whole 2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計 主控板以近年來迅速發(fā)展的 ARM Cortex-M3 內(nèi)核處理器為控制核心；ARM 單片機上面配有過壓保護和限流保護，而且使用的是外部晶振，有足夠的能力 對系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)進行運算。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，對于機器人的控制也滿足設(shè)計要求，能夠較穩(wěn)定的控制 機器人的各個模塊 [3]。 圖 4 系統(tǒng)方框圖 Fig.4 Block diagram of a system 本設(shè)計是基于 STM32 單片機的手動機器人控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由兩塊 STM32 主控模塊、直流電機驅(qū)動模塊、電子方向盤模塊、棘輪模塊、LM629 驅(qū)動 模塊、單片機模塊、電子油門模塊、串口通信模塊與電源模塊等模塊組成。主 控模塊是整個系統(tǒng)的核心。它與其它各個模塊之間通過不同電路和接口協(xié)議進 行相連。電子方向盤模塊、電子油門模塊、電子剎車、按鍵模塊等傳感器輸入 部分對系統(tǒng)外界信息進行采集和處理后，將數(shù)據(jù)通過電平信號、PWM 信號等方 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行 通信模塊 STM32 下位機 STM32 上位機 輸入輸出模塊人機交互模塊 底盤電機驅(qū)動 驅(qū)動模塊 氣動驅(qū)動模塊 棘輪模塊 升降電機驅(qū)動模 塊 傳感器 油門裝置剎車裝置 傳感器 7 信息交換，由中央處理模塊根據(jù)軟件設(shè)計中的流程圖和所設(shè)計的算法，對數(shù)據(jù) 進行分析與處理 [4]。從而得到相關(guān)的最優(yōu)輸出操作，通過輸出 PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）波的方式向單片機模塊發(fā)命令，單片機模塊再 通過串口通信控制 LM629 模塊從而控制電機的運行狀態(tài)。通過電平控制氣動模 塊的狀態(tài)。從而達到對手動機器人各部分的控制。其對應的系統(tǒng)方框圖如圖 4 所示。 3. 手動機器人硬件電路設(shè)計 3.1 CPU 選擇 CPU 是整個手動機器人的核心環(huán)節(jié)。它是實現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能 算法等的平臺。本設(shè)計對 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 單片機作為主控板。 AVR 單片機是高速嵌入式 單片機，數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應迅速 [5]。其次，AVR 單片機高性能、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)化了目標代碼 所占用的存儲空間，也在一定程度下提高了程序的執(zhí)行效率，部分型號 FLASH 非常大，特別適用于使用高級語言進行開發(fā)。 但是 AVR 系列單片機都不具備 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)手動機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)行所有程序會造成程序編寫復雜、芯片負載過高（堆棧溢出） 、響應速度緩 慢、端口配置沖突（如TIM8和TIM1不能同時使用）等問題。這與機器人的設(shè) 計要求 不符故采用兩塊STM32 芯片做分級系統(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機器人各個模塊控制靈活 性，又同時保證了CPU的響應速度和處理能力。由于STM32單片機具有更優(yōu)良 的性能，同時分級系統(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)計的CPU。如圖5所示。 Cortex-M3 是一款低功耗處理器，具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本 低的特點，是為要求有快速中斷響應能力的深度嵌入式應用而設(shè)計的。該處理 器采用ARMv7-M 架構(gòu)，在機器人調(diào)試過程中能夠充分滿足各方面的要求。 STM32F103VET6是基于一個支持實時仿真的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存儲器。20k的RAM,128 位寬度 的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行Thumb-2 指令集以16位的代碼密度帶來了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)越的實時特性，中斷間的延遲時間只需6個CPU周期，從低功耗模 式喚醒也只需6個cpu周期。與ARM7TDMI相比運行速度最多可以快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UART、SPI 和CAN 到兩條I2C總線）和8kB的片內(nèi)SRAM，多個32位和16位定時器、1個改良的10位 ADC、所有定時器上輸出匹配的PWM 特性、以及具有多達13個邊沿或電平觸發(fā)的 外部中斷管腳的32條高速GPIO線，GPIO翻轉(zhuǎn)頻率最高能達到18MHz。使這種微控 制器特別適合工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應用、智能化儀器儀表及電機、 馬達伺服控制系統(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72MHZ工作頻率 2、在存儲器的0的等待周期訪問時可達1.25DMisp、MHZ 3、具有單周期乘法和硬件除法 9 存儲器： 1、高達128K字節(jié)的閃存程序存儲器 2、高達20K字節(jié)的SRAM 時鐘、復位和電源管理： 1、2.0-3.6V供電和I/O引腳 2、上電/斷電復位（POR/PDR） 、可編程電壓監(jiān)測器（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)嵌帶校準的40KMZ的RC振蕩器 6、產(chǎn)生CPU時鐘的PLL 7、帶校準的32KMZ的RC振蕩器 低功耗： 1、睡眠、停機和待機模式 2、Vbat為RTC和后備寄存器供電 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 1、2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間（多達16個輸入通道） 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)：定時器、ADC、SPI、I2C和USRT 3、多達80個快速I/O端口26/37/51/80個I/O口，所有I/O口一顆映像到16個 外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號 調(diào)試模式 串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口 定時器： 1、3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或 脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入 2、1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器 3、2個看門狗定時器（獨立的和窗口型的） 10 4、系統(tǒng)時間定時器：24位自減型計數(shù)器 通信接口 1、多達2個I平方C接口(支持SMBus/PMBus) 2、多達3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制） 3、多達2個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 位 電路、晶振以及調(diào)試接口 [7]（這里是 JLink 接口） 。因為 STM32 內(nèi)部包含 128KB 的 FLASH 以及 32KB 的 SRAM，滿足設(shè)計需要，所以不再進行存儲器擴展。 如圖 7 所示是 STM32F103VET6 的最小工作系統(tǒng)原理圖。 3.2 電機選型 底盤電機選型： (1)底盤最大負重： M=20kg(機器人自重)+60kg(操作者體重)+15kg( 收集機器人 自重)=95kg (2)需要的加速度： 21.5/ams? (3)底盤最大速度： V (4)輪子直徑： D=160mm (6)驅(qū)動方式： 兩輪直輪驅(qū)動 機器人勻速運行時： 機器人勻速驅(qū)動需要的最大驅(qū)動力： 取輪子與地面的摩擦系數(shù)為： =0.5? ' 47.5FMgN???勻 取驅(qū)動力安全系數(shù) 1?'71.FN???勻 勻 電機勻速行駛的驅(qū)動功率： 289PVW?勻 out勻 電機減速箱為行星減速箱一般效率 [11]為： =0.?減 速 箱 電機與輪子為鏈條傳動因無鏈條箱取效率為： 5鏈 條 電機勻速行駛的實際功率 ： in//9.7?勻 勻 out減 速 箱 鏈 條 電機額定電壓： 24V 電機額定電流： 3.9nPIAU?勻 i 機器人加速運行時： 驅(qū)動力： 142.5aFmN 加速時間： /7tvs? 12 行駛距離： 21.7Satm? 每個輪子的驅(qū)動力： 59.4xaFN?? 地面動摩擦力 .fg? 因動量守恒： 21outVPfS? 底盤輸出功率 =235.3W ()/outmt?? 底盤實際功率 int/=25.7t W?減 速 箱 鏈 條 電機實際功率： Wi16.P 啟動沖擊電流： 5IAU? 綜上每個輪子的最大驅(qū)動力： max=59.4NF? 輪子轉(zhuǎn)速設(shè)計： 60n12Vrp?? 驅(qū)動力矩： 4.756.xMr? 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們選取了 Maxon RE40 148867 作為底盤電機 [8]，其具體參數(shù) 如圖 8。 圖8 Maxon RE40電機參數(shù) Fig.8 Maxon RE40 Motor 其他電機按此計算升降電機和棘輪電機分別采用 RE35、RE25。 3.3 直流伺服電機驅(qū)動模塊設(shè)計 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)） ，編碼盤來采樣的數(shù)據(jù)來組合成一個電機伺服系統(tǒng)，以 驅(qū)動電機運行。在此模塊設(shè)計中，我們通過充分利用空心杯直流伺服電機及其 驅(qū)動模塊有電機體積小，重量輕，扭矩大，精度高，響應快，速度高，慣量小， 轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定，容易實現(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。在調(diào)試的過程中，由于我們選擇驅(qū)動模塊種類不一，曾 13 發(fā)生過底盤兩電機在直線運動時轉(zhuǎn)速不一樣，經(jīng)過小組討論和決定，最終我們 選擇銘朗科技 MLDS3810TE 作為底盤驅(qū)動電機的伺服驅(qū)動模塊如圖 9，它具有 穩(wěn)定性好，精度高的優(yōu)點。 圖 9 伺服系統(tǒng)模塊 Fig.9 Servo system module 3.3.1 LM629 驅(qū)動模塊 3.4.1.1 LM629 是美國國家半導體共識的產(chǎn)品，他是全數(shù)字式控制的專用運動控 制處理器。通過一片單片機一片 LM629 一片功率驅(qū)動器一臺直流電動機一個增 量式光電編碼盤就可以構(gòu)成一個伺服系統(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 應用說明 1 IN Input 編碼 IN 信號 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 讀寫片選 13 RD Input 讀控制端口 14 GND GND 電源地 15 WR Input 寫控制端口 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 方向信號輸出端口 19 PWM_MAG Output PWM 信號輸出端口 20-25 NC 不用 26 CLK Output 系統(tǒng)時鐘信號輸入 27 RST Output 復位信號輸入端口 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來反饋電動機的實際位置。來自增量式光電 編碼盤的位置信號 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。編碼盤的 A，B，C 信號同為低電平 時，就產(chǎn)生一個 Index（見圖 12）信號送入 Index 寄存器，記錄電動機的絕對位 置。能實現(xiàn)兩種控制方式： 15 用位置控制方式時，單片機送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629 利用這些數(shù)據(jù)計算運行軌跡如圖 13(a)所示。在電動機運行時，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，電動機用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持 這個速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度有擾動，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 編碼盤信號 Fig.12 Quadrature Encoder Signals 16 圖 13 運行軌跡 Fig.13 Movement track 位置控制時，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LM629所要求的形式。假設(shè)編碼器為500線，要求加速 度為0．1 r／s 、最大速度為0．2 r／s、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)計算過程如下：由于LM629對其進行了4倍頻，所以編碼 器處理結(jié)果如下： 設(shè)PC為需向LM629 寫入的目標位置值，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=500×4=2000；故有PC=L×期望轉(zhuǎn)數(shù)=2000×100=200000= 0X00030D40，即電機每轉(zhuǎn)一圈，LM629計2000個數(shù)。 (1)采樣周期: T 為采樣時間= 2048\6000000=341μS。 (2)速度: 設(shè)V為需向LM629 寫入的目標速度值，單位為counts/sample。故有 V=L×T×（期望速度/60）=2000×341×0.000001×（600/60） =6.82counts/sample。 折合成16進制數(shù)：V=1.364×65536=89391.104≈89391=0 x004432EF。 (3)加速度： 設(shè)A（假設(shè)為每分鐘600轉(zhuǎn)）為需向LM629 寫入的目標加速度值，單 counts/sample2，故有A=L×T×期望加速度 =2000×341×0.000001×341×0.00001=0.00022885counts/sample2。 折合成16進制數(shù)：A=0.00004577×65536=14.9979136≈15=0 x0000000F。 3.3.1.2 運動控制字 表 2 LM629 運動控制字 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 明 相 對 位 置 裝 位 置 相 對 速 度 裝 速 度 相 對 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，以LTRJ命令引導，緊隨其后為兩個字節(jié)的控制字。用戶 能通過動指令輸入加速度、速度、位置、控制方式、轉(zhuǎn)向、停車方式等數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)有前2個字節(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 明 65 53 6 1 1 1 1 1 1 0 LM629 內(nèi)部有一個數(shù)字 PID 控制器，用來控制閉環(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 單片機提供。數(shù) 據(jù)的前 2 個字節(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，每個數(shù)據(jù)占 2 個字節(jié)。順序為 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 明 下 一 個 in de x 命 令 錯 中 斷 運 動 完 成 中 斷 In de x 脈 沖 中 數(shù) 位 置 信 息 錯 中 斷 位 置 超 差 中 斷 斷 點 到 中 斷 停 車 8 位 輸 入 誤 差 停 運 動 完 成 速 度 方 式 正 轉(zhuǎn) 執(zhí) 行 UD F 裝 加 速 發(fā) 生 中 斷 Atmega32 單片機可以寫 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。通過判斷中斷的類型，可以更好的 LM629 進行相應的操作。 例如當位置超差的時候，LM629 的 HI 端口便會變?yōu)榈碗娖?，這時單片機的外部 中斷便可以采樣到中斷的信號，然后通過寫入 RDSTAT 和 RDSIGS 的指令，然后 讀出具體的中斷源，來停止對電機的控制。 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 說明 十六進命令 數(shù)據(jù)字 節(jié) RESET 初始化 LM628 復位 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 02 0 SIP 中斷 設(shè)置 Index 位置 03 0 LPEI 中斷 錯誤中斷 1B 2 LPES 中斷 錯誤停止 1A 2 SBPA 中斷 設(shè)置絕對斷點 20 4 SBPR 中斷 設(shè)置相對斷點 21 4 MSKI 中斷 屏蔽中斷 1C 2 RSTI 中斷 復位中斷 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 啟動電機 01 0 RDSTAT 反饋 讀狀態(tài) 無 1 19 RDSIGS 反饋 讀寄存器 0C 2 RDIP 反饋 讀 Index 位置 09 4 RDDP 反饋 讀預定的位置 08 4 RDRP 反饋 讀實際的位置 0A 4 RDDV 反饋 讀預定的速度 07 4 RDRV 反饋 讀實際的速度 0B 2 RDSUM 反饋 讀積分與數(shù)據(jù) 0D 2 LM629 有 22 條指令，單片機只要通過這些指令（表 5）可以對 LM629 進行控 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，如圖 14。 圖14 LM629的原理圖 Fig.14 Schematics of LM629 3.3.2 單片機模塊 在伺服器領(lǐng)域廣泛采用 MSP430、AVR 等 8 位單片機。本設(shè)計亦采用 AVR 系列單片機 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） 先進的 RISC 結(jié)構(gòu) 131 條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周 期，32 個 8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作工作于 16MHz 時性能高達 16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。 （3） 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器 32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 擦寫壽 命: 10,000 次具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)通過片上 Boot 程序?qū)?現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時讀寫操作 1024 字節(jié)的 EEPROM 擦寫壽命: 100,000 次，2K 字節(jié)片內(nèi) SRAM，可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的 20 加密。 （4） JTAG 接口( 與 IEEE 1149.1 標準兼容) （5） 符合 JTAG 標準的邊界掃描功能，支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 （6） 豐富的外設(shè)特點 （7） 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時器/ 計數(shù)器， 一 個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器，具有獨 立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC， 四通道 PWM， 8 路 10 位 ADC，8 個單端通 道，TQFP 封裝的 7 個差分通道 2 個具有可編程增益（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/ 從機模式的 SPI 串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗 定時器，片內(nèi)模擬比較器。 （8） 上電復位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標定的 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 模式以及擴展的 Standby 模式。 （10） 有 5 個復位源 3.3.2.2 ATmega32L 最小系統(tǒng) 21 如圖15是單片機控制部分電路模塊，Atmega32L單片機、電源、復位電路、 JATG接口便構(gòu)成了一個最小的系統(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 實現(xiàn)受限單極性驅(qū)動方式，LMD18200 是美國國家半導體公 司(NS)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的 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、電機和增量型編碼器構(gòu)成一 個完整的運動控制系統(tǒng)。以達到良好的控制效果。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 引腳號定義 Table 6 User Command Set of the LM629 引腳號 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，輸出驅(qū)動電流方向見表 1。該腳控制輸出 1 與輸出 2（腳 2、10）之間電流的方向，從而控制馬達旋轉(zhuǎn)的方向。 4 剎車輸入端 剎車時，輸出驅(qū)動電流方向見表 1。通過該端將馬達繞組短路而使 其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將 PWM 信號輸入端（腳 5）置邏輯高電平，3 腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用的器件。3 腳為邏輯高電平時，H 橋中 2 個高端晶體管導通；3 腳呈邏輯低電 平時，H 橋中 2 個低端晶體管導通。腳 4 置邏輯高電平、腳 5 置邏 輯低電平時，H 橋中所有晶體管關(guān)斷，此時，每個輸出端只有很小 的偏流（1.5mA） 。 5 PWM 信號輸入端 PWM 信號與驅(qū)動電流方向的關(guān)系見表 1。該端與 3 腳（方向輸入） 如何使用，決定于 PWM 信號類型。 6、7 電源正端與負端 8 電流取樣輸出端 提供電流取樣信號，典型值為 377 μA/A。 9 溫度報警輸出 溫度報警輸出，提供溫度報警信號。芯片結(jié)溫達 145℃時，該端變 為低電平；結(jié)溫達 170℃時，芯片關(guān)斷。 LMD18200 內(nèi)部集成了四個 DMOS 管，組成一個標準的