基于DSP小型地面移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘 要近年來，移動機(jī)器人應(yīng)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)被用于人類生活的各個領(lǐng)域，而應(yīng)用移動機(jī)器人完成偵查、排爆及消防等危險任務(wù)已經(jīng)成為各國研究的重點(diǎn)。隨著移動機(jī)器人的智能化程度越來越高，對機(jī)器人控制器的要求也在不斷提高，這就要求控制器具有良好的實(shí)時性和快速響應(yīng)能力。本次設(shè)計(jì)了一款全數(shù)字控制的小型地面移動機(jī)器人運(yùn)動控制器，具有控制、功率驅(qū)動及各種保護(hù)等功能。采用arm9作為運(yùn)動控制器的主控芯片，dsp作為分布式控制芯片，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了dsp控制器的硬件電路。這些電路包括dsp最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)電流檢測、電機(jī)位置檢測及電機(jī)過壓欠壓保護(hù)，并對其主要電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。arm主控制器與dsp分布式控制器

2、之間利用can總線進(jìn)行通信。采用速度環(huán)及電流環(huán)的雙閉環(huán)控制，并且引入積分分離pid控制作為速度調(diào)節(jié)器的控制算法，對傳統(tǒng)的pid控制進(jìn)行了改進(jìn)。在設(shè)計(jì)硬件電路和控制算法基礎(chǔ)之上，完成了dsp控制軟件的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)及各種中斷子程序設(shè)計(jì)。中斷子程序又包括電機(jī)換相及速度計(jì)算子程序、pwm輸出子程序、速度控制子程序、can總線通信子程序等。關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人，arm9，dsp運(yùn)動控制器，無刷直流電機(jī)，pwmabstractin present, the mobile robot has been aplied more and more widely. it has been use

3、d in all human life. it has become the focus study to complete the dangerous tasks such as investigation, remove exploder and fire protection with mobile robot. with the mobile robot becoming more and more intelligent, the requirment of motion controller has been improved increasingly. it requires t

4、he controller with good real-time and rapid response capacity. the study had designed a motion controller of mobile robot with fully digital control system. it had the function of control, power driver and various overload protection.the arm9 processor was used in the motion controller as main comma

5、nd chip and dsp chips as the distributed controllers. the hardware circuits of dsp controller had been designed. it included the least control circuit of dsp, the circuit of motor drive, check current, position detection of motor, over-voltage and under-voltage protection. the main circuits had been

6、 analyzed detailed. the main processor arm9 and distributed processors dsp using can bus communicate with each other. the motion controller had double closed loops which were speed loop and current loop. the traditional pid control had been improved. the integral separation pid control had been used

7、 in the speed reguator.based on the hardware circuits and the control arithmetic, the software design of the dsp controller had been completed. it included the main program and various subprograms of interrupt. the program of motor communication, speed calculation, pwm output, speed control, communi

8、cation with can and so on were also included in the subprogram.key words: mobile robot, arm9, dsp motion controller, bldcm, pwm目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第一章 緒 論11.1課題設(shè)計(jì)的意義11.2 課題來源及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容2第二章 控制系統(tǒng)總體概述32.1 移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)32.2 電機(jī)的選擇42.2.1 步進(jìn)電機(jī)、有刷直流電機(jī)及無刷直流電機(jī)比較42.2.2 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理52.2.3 無刷直流

9、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型7第三章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)103.1 控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)103.1.1 驅(qū)動板電源設(shè)計(jì)103.1.2 dsp供電電源專用芯片的匹配電源設(shè)計(jì)113.2 arm9主處理器概述及其與can總線的連接簡介123.2.1 arm9處理器概述123.2.2 arm9處理器s3c2410x與can總線的連接123.3 dsp分布式控制器與dsp最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.3.1 tms320f2812 dsp芯片簡介143.3.2 dsp最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)153.4 can功能模塊硬件設(shè)計(jì)203.5 pwm信號隔離及驅(qū)動電路223.6 主電路設(shè)計(jì)233.7 電流檢測電路設(shè)計(jì)253.8 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置檢測電

10、路設(shè)計(jì)26第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)284.1 軟件開發(fā)環(huán)境284.2 主程序設(shè)計(jì)284.3 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)304.3.1中斷捕獲模塊304.3.2 pwm產(chǎn)生模塊324.3.3 定時器1中斷模塊344.3.4電機(jī)保護(hù)中斷模塊374.4 can總線接口通信程序設(shè)計(jì)38總 結(jié)40參考文獻(xiàn)41致 謝42附 錄43第一章 緒 論1.1課題設(shè)計(jì)的意義機(jī)器人是一個正在蓬勃發(fā)展的重要領(lǐng)域。它集精密儀器、光學(xué)、電子遙感技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)之大成，形成了一門綜合的新技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生了根本變化，對人類的社會生活產(chǎn)生了重大影響。移動機(jī)器人是集環(huán)境感知、動態(tài)

11、決策、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，是機(jī)器人學(xué)的一個重要分支。具體來講，移動機(jī)器人就是脫離人的直接控制，采用遙控、自主或半自主等方式在一定范圍內(nèi)完成特定任務(wù)的遠(yuǎn)動物體1。進(jìn)入21世紀(jì)以來，各種恐怖事件不斷發(fā)生，迫切需要具有自主運(yùn)動能力的移動機(jī)器人的出現(xiàn)，運(yùn)用移動機(jī)器人完成偵查、排爆及消防等任務(wù)。近幾年發(fā)生的幾場局部戰(zhàn)爭中，機(jī)器人都發(fā)揮了很大的作用。移動機(jī)器人越來越多的運(yùn)用于偵查地形及可疑爆炸物、拆除炸彈等場合。所以，研制能代替人類在危險、惡劣環(huán)境下工作的具有一定自主能力的移動機(jī)器人成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。而移動機(jī)器人運(yùn)動控制器則是根據(jù)指令以及傳感器信息控制機(jī)器人完成一定動作或作業(yè)任

12、務(wù)的裝置，它是移動機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。隨著移動機(jī)器人的智能化程度越來越高，對機(jī)器人運(yùn)動控制器的性能要求也就越來越高。特別是隨著信息化的進(jìn)程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息處理理論與方法等的迅速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，移動機(jī)器人對精度、數(shù)據(jù)處理速度和實(shí)時性的要求也越來越高，這就迫切需要更加強(qiáng)大的運(yùn)動控制器的出現(xiàn)2。因此，如果能設(shè)計(jì)出一款適合于特定機(jī)器人的運(yùn)動控制器，它能提升機(jī)器人運(yùn)動控制的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，同時也能實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人復(fù)雜的控制算法，那將對推動機(jī)器人的發(fā)展非常重要。1.2 課題來源及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本課題來源于科研，根據(jù)任務(wù)書的具體要求，結(jié)合當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，研究和開

13、發(fā)出一種自主移動機(jī)器人。項(xiàng)目的具體要求為：采用arm9作為主控制器，ti公司的tms320f2812芯片為分布式控制器，機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)為：重量50kg；工作時間5h；行程2km；最大速度3km/h；爬坡能力30；跨越臺階高度15cm。近年來，隨著芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，國外以dsp或fpga作為芯片處理器的運(yùn)動控制器越來越成為發(fā)展趨勢。這類控制器用dsp取代傳統(tǒng)的單片機(jī)，充分利用了dsp的高速數(shù)據(jù)處理功能、fpga的超強(qiáng)邏輯處理能力，使得控制器具有高速信號處理能力和高效的通訊能力，并具有高集成度及高可靠性。在工業(yè)市場需求的推動下，大部分dsp運(yùn)動控制器都是針對數(shù)控機(jī)床或工業(yè)機(jī)器人，即主要應(yīng)用

14、于步進(jìn)電機(jī)，而應(yīng)用于三相電機(jī)控制的dsp控制器普及程度還不夠廣。但隨著對三相電機(jī)控制技術(shù)需求的增加，國外對這方面的研究已經(jīng)取得很大突破。國內(nèi)的dsp運(yùn)動控制器起步較晚，之前一般都用單片機(jī)或電機(jī)專用芯片來構(gòu)建控制器。直到20世紀(jì)90年代，國外各dsp廠家在中國建立第三方。它們?yōu)橹袊挠脩籼峁┘夹g(shù)支持以及售后服務(wù)，一定程度上推動了國內(nèi)dsp應(yīng)用的發(fā)展?，F(xiàn)在，這些dsp廠家的第三方基本都提供了一整套從直流伺服電機(jī)到交流伺服電機(jī)的dsp控制器，使得國內(nèi)dsp控制器技術(shù)逐漸縮小了與國外的差距。1.3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：根據(jù)機(jī)器人的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一個以arm9作為主控制器、dsp作為

15、分布式控制器的運(yùn)動控制器，用于移動機(jī)器人的電機(jī)控制，滿足控制的實(shí)時性和精確性要求。設(shè)計(jì)dsp的控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)硬件，同時設(shè)計(jì)電機(jī)控制的軟件程序，然后將硬件和軟件結(jié)合起來，評估控制器的性能，驗(yàn)證控制方案的可行性。 論文的主要章節(jié)介紹：第一章 主要闡述了課題研究的意義，介紹了課題來源，分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。第二章 對小型地面移動機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的概述。同時，根據(jù)任務(wù)書要求，對電動機(jī)進(jìn)行了選型。介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制算法，設(shè)計(jì)出了控制器的總體結(jié)構(gòu)。第三章 重點(diǎn)對dsp控制器進(jìn)行了硬件上的設(shè)計(jì)，包括控制板、驅(qū)動板和電源板的設(shè)計(jì)。第四章 主要內(nèi)容是控制器的軟件設(shè)計(jì)

16、，包括主程序設(shè)計(jì)、各種中斷程序的設(shè)計(jì)以及can總線通信程序的設(shè)計(jì)。最后，對整個設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了概述性的總結(jié)。第二章 控制系統(tǒng)總體概述機(jī)器人控制系統(tǒng)主要需要滿足以下幾個條件，概括起來講就是：系統(tǒng)具有較高的運(yùn)算處理能力，控制性能優(yōu)良；系統(tǒng)必須具有較高的實(shí)時性和可靠性；系統(tǒng)盡可能的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，具有良好的可擴(kuò)展性；系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抗干擾能力；控制系統(tǒng)總重量輕、集成度高、體積小、功耗小3。根據(jù)任務(wù)書的要求，機(jī)器人控制系統(tǒng)大體上可以分為以下幾種功能模塊：上位計(jì)算機(jī)模塊、基于arm的主控制器模塊、基于dsp的分布式控制器模塊、can總線通信模塊、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊等。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程

17、通信等。arm處理器主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體控制，并將機(jī)器人的信息通過無線通信，實(shí)時反饋給上位機(jī)。dsp分布式控制器控制機(jī)器人的姿態(tài)及運(yùn)動情況。電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊能夠滿足直流電機(jī)的實(shí)時正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要，為機(jī)器人的運(yùn)行提供動力。2.1 移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的整體框圖如圖2-1所示。 轉(zhuǎn)速采樣信號調(diào)理dsp控制器光電隔離電 機(jī)驅(qū) 動電 路直流電動機(jī)電流采樣光電隔離復(fù)位電路外 部存儲器電 路時鐘電路光電隔離無 線通 信arm9控制器can總線通信系 統(tǒng)電 源電 路濾 波電 路信號調(diào)理 圖2-1基于dsp小型地面移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以下簡要介紹整個控制系統(tǒng)的工作過程：運(yùn)動控制器采用電

18、流環(huán)和速度環(huán)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的雙閉環(huán)控制。其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)。首先，通過霍爾位置傳感器信息計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)時轉(zhuǎn)速，然后將實(shí)時電機(jī)轉(zhuǎn)速和給定的參考值之間的偏差經(jīng)積分分離pid調(diào)節(jié)后，輸出電流參考值。其次，將電流參考值與電機(jī)實(shí)際電流進(jìn)行比較，得到的偏差送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行pi調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的控制量用于改變pwm的占空比。最后，輸出的pwm信號經(jīng)電壓逆變后輸入電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)控制。軟件設(shè)計(jì)中利用dsp的邏輯運(yùn)算功能，引入積分分離pid速度控制，彌補(bǔ)pid調(diào)節(jié)的不足，改善系統(tǒng)的控制性能，減小超調(diào)量，縮短速度調(diào)整時間。這些都充分體現(xiàn)了dsp在運(yùn)動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性。本次設(shè)計(jì)

19、將重點(diǎn)放在dsp最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及dsp分布式控制器對電機(jī)的控制、dsp與arm之間的can總線通信上。對于擁有路徑規(guī)劃等功能的arm主控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其與上位機(jī)計(jì)算機(jī)之間的無線通信只作簡要述及。2.2 電機(jī)的選擇2.2.1 步進(jìn)電機(jī)、有刷直流電機(jī)及無刷直流電機(jī)比較（1）步進(jìn)電機(jī)能夠直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制性能好，能快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，其運(yùn)行的角位移和線位移誤差不會長期積累。但啟動頻率過高或負(fù)載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)沖擊，且一般無過載能力。因此步進(jìn)電機(jī)不適合作為機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)。（2）直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣性相對較小，控制特性好，響應(yīng)速度快，滿足機(jī)器人的靈敏性要求；

20、且有很寬的調(diào)速范圍，速度快，滿足機(jī)器人的快速性要求；低速平穩(wěn)性好，滿足穩(wěn)定性要求；機(jī)械特性硬，過載能力強(qiáng)，可以滿足機(jī)器人的越障和爬坡要求。但是由于有換向器和電刷，導(dǎo)致電機(jī)可靠性變差，壽命較短，這將嚴(yán)重影響機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。（3）無刷直流電機(jī)作為一種新型的無級變速電動機(jī)，不僅具有交流電機(jī)體積小、重量輕、慣性小等特點(diǎn)，而且擁有直流電動機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，沒有機(jī)械換向器的特點(diǎn)。它結(jié)構(gòu)簡單，起動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，效率高，工作壽命長，非常適合機(jī)器人的運(yùn)行要求4。無刷直流電機(jī)如果采用pwm控制，只需要通過軟件改變pwm波形的占空比就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動機(jī)器人的靈活性非常有幫助?？紤]

21、到機(jī)器人的體積和重量，帶減速器的電機(jī)成為首選，這樣只需要將電機(jī)輸出軸和驅(qū)動輪連接起來即可。最后，選擇了瑞士maxon公司的直流無刷伺服電機(jī)ec60系列作為機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)（重量為2.45kg），所配減速器為德國艾斯勒公司的產(chǎn)品，減速比70/1，運(yùn)行效率為75%。表2-1為所選用的移動機(jī)器人直流電機(jī)參數(shù)。表2-1 移動機(jī)器人直流電機(jī)參數(shù)額定功率400w堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩11000mnm機(jī)械時間常數(shù)4.3ms額定電壓48v空載電流740ma最大效率86%最大工作電流9.3a空載轉(zhuǎn)速5400rpm相間電阻0.37ohm額定轉(zhuǎn)矩688mnm轉(zhuǎn)矩常數(shù)85mnm/a相間電感0.27mh堵轉(zhuǎn)電流139a速度常數(shù)113r

22、pm/v轉(zhuǎn)子慣量831gcm22.2.2 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理maxon公司的ec系列電機(jī)屬于無刷直流電動機(jī)，它主要有電機(jī)本體，霍爾位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。電機(jī)本體主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子繞組分為a、b、c三相，每相相位相差120，采用星形連接，三相繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件連接。轉(zhuǎn)子由n、s兩極組成，極對數(shù)為1。圖2-2為三相兩極無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)。圖2-2 三相兩極無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)電子開關(guān)線路用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時間，主要有功率邏輯開關(guān)單元和霍爾位置傳感器信號處理單元兩部分組成。功率邏輯開關(guān)單元將電源功率以一定的邏輯分配關(guān)系分配給電機(jī)

23、定子上的各相繞組，以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。霍爾位置傳感器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的位置信號，進(jìn)而控制邏輯開關(guān)單元的各相繞組的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時間。當(dāng)定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由霍爾位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。電機(jī)采用全橋驅(qū)動方式，下面是電機(jī)在全橋驅(qū)動方式下的工作原理。圖2-3是無刷直流電機(jī)三相繞組星形連接全橋驅(qū)動電路原理圖。采用

24、兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式，每隔1/6周期換相一次，每次換相一個功率管，每個功率管依次導(dǎo)通120電角度，功率管導(dǎo)通順序?yàn)閝1q4q1q6q3q6q3q2q5q2q5q4。其中q1q6為六個功率開關(guān)管，他們組成三相橋式逆變器。采用霍爾位置傳感器來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號，控制器根據(jù)電機(jī)的位置信息按一定順序組合六個功率開關(guān)管的導(dǎo)通，這樣電機(jī)的繞組也就按順序?qū)?，?shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2-4為無刷直流電機(jī)驅(qū)動時的反電勢和電流波形圖，梯形波為三相繞組反電動勢波形，矩形波為所對應(yīng)繞組流過的電流波形。功率開關(guān)管導(dǎo)通方式如圖2-5所示。圖 2-3 電機(jī)全橋驅(qū)動方式電路圖圖 2-4 無刷直流電機(jī)反電勢和電流波形圖

25、圖 2-5 三相六狀態(tài)120導(dǎo)通方式電機(jī)運(yùn)行過程中，電子換相的關(guān)鍵在于：當(dāng)檢測到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置變化的同時，查詢換相邏輯表，并開通下一位置狀態(tài)所對應(yīng)的功率電子開關(guān)組合。表2-2列出了電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)時三相逆變器的導(dǎo)通順序。 表2-2 電機(jī)全橋驅(qū)動的通電規(guī)律通電順序正傳（逆時針）反轉(zhuǎn)（順時針）轉(zhuǎn)子位置（電角度）0606012012018018024024030030036036030024030018024012018060120060開關(guān)管1，41，63，63，25，25，43，61，61，45，45，23，2a相+-+-b相-+-+-+c相-+-+注：表中“+”表示正向通電，“-” 表示反向通電。

26、根據(jù)每個導(dǎo)通狀態(tài)pwm作用管子數(shù)目的不同，把pwm調(diào)制分成“單斬”和“雙斬”兩種方式。采用單斬pwm方式對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行控制時，流過電機(jī)繞組的最大電流波動值是雙斬pwm方式下的一半。并且，在本設(shè)計(jì)中由于采用電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)電流波動較大時電機(jī)會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。因此為了減小流過電機(jī)的電流脈動和功率管的開關(guān)損耗，設(shè)計(jì)中采用上橋臂直通、下橋臂單斬方式對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。2.2.3 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型現(xiàn)在僅以“120導(dǎo)通型”電機(jī)為例，對與電動機(jī)驅(qū)動相關(guān)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行研究分析：對于星形連接的三相無刷直流電機(jī)，在理想條件下，任何時刻只有兩相繞組通電導(dǎo)通

27、。導(dǎo)通的兩相電流和兩相反電動勢大小都分別相等但方向相反。無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (2-1)式中，為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)極對數(shù)，為三相繞組瞬時電勢，為三相繞組瞬時電流，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。在理想情況下，由于任何時刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通，不導(dǎo)通相的電流等于零。則電磁功率又可表示為： (2-2)式中，為每相反電動勢，為逆變器直流側(cè)電流，則電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為： (2-3)考慮到定子每相繞組的反電動勢正比于轉(zhuǎn)子角速度，即： (2-4)式中，為電勢常數(shù)。將(2-4)代入(2-3)，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： (2-5)其中，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。在忽略永磁體阻尼的情況下，轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程表示為： (2-6)式中，為負(fù)

28、載轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。由式(2-4)可以得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程： (2-7)式中，為電機(jī)繞組兩端的等效電壓值，為電機(jī)各相繞組電阻值，為電樞繞組的電阻壓降，為繞組電感壓降。從上公式(2-5) (2-7)可以看出：（1）無刷直流電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩與逆變器直流側(cè)電流值為常系數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)逆變器直流側(cè)電流的大小可實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)；（2）當(dāng)逆變器直流側(cè)電流恒定不變，即電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩恒定時，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)繞組兩端所加等效直流電壓值成正比，調(diào)節(jié)電機(jī)繞組兩端所加等效直流電壓值u可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。圖2-6是利用開關(guān)管進(jìn)行pwm調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。（a）原理圖 （b）輸入/輸出電壓波形圖圖2

29、-6 pwm調(diào)速控制原理和電壓波形圖電機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值u為： (2-8) (2-9)式中，是占空比。改變的值即可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是電機(jī)的pwm調(diào)速原理。在pwm調(diào)速時，占空比是一個重要的參數(shù)。由上式及可知，以下三種方法可以改變占空比的值：（1）定頻調(diào)寬法：保持開關(guān)周期t不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間.（2）定寬調(diào)頻法：保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期t。（3）調(diào)寬調(diào)頻法：和t都可調(diào)，使占空比改變。 本章小結(jié)：本章主要闡明了移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，討論了電機(jī)的選型，無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及數(shù)學(xué)模型，簡要介紹了無刷直流電機(jī)的控制方法。第三章 控制系

30、統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電源時要考慮的因素有：輸出的電壓、電流、功率；輸入的電壓、電流；安全因素；輸出紋波；電磁兼容和干擾；體積和功耗限制；成本限制等?？刂葡到y(tǒng)中，電源不穩(wěn)定是系統(tǒng)很大的干擾源。電源在開關(guān)時產(chǎn)生的電源噪聲沿著電源線傳播，或在芯片狀態(tài)發(fā)生改變時，電源功耗的變化均會在電源和地線之間產(chǎn)生噪聲。因此在電源電路設(shè)計(jì)中，要在48v電源信號的電源線和地線之間并聯(lián)一個大電解電容；在每個集成電路的電源端并聯(lián)一個0.1uf去耦電容濾除電源波動在芯片電源引腳引起的電壓擾動，降低電流沖擊的峰值，防止因?yàn)殡娫瘩詈显斐稍骷荒苷９ぷ?。?shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1f?？紤]到機(jī)器人

31、重量和行程限制，且便于給直流電機(jī)供電，整個控制系統(tǒng)使用4塊天能6-dzm-12型蓄電池串聯(lián)供電。天能電池容量大、比能量高、自放電率低、循環(huán)壽命長、安全可靠。6-dzm-12電池參數(shù)見表3-1。表3-1 天能6-dzm-12型蓄電池參數(shù)表標(biāo)稱電壓12v額定容量12hr參考重量4.2kg尺寸（長）151mm尺寸（寬）99mm尺寸（高）95mm3.1.1 驅(qū)動板電源設(shè)計(jì)由于驅(qū)動板上的驅(qū)動芯片需要+15v的電壓和較大的驅(qū)動電流，其電源還要與dsp控制板電源隔離，因此專門為其設(shè)計(jì)了電源。經(jīng)過仔細(xì)比較各電源芯片，最后選定了lm2576hv-5.0和lm2576hv-15作為電源芯片。圖3-1為lm2576

32、的典型應(yīng)用電路。圖 3-1 lm2576的典型應(yīng)用電路lm2576系列穩(wěn)壓器是單片集成電路，能夠提供降壓開關(guān)（buck）的各種功能，能驅(qū)動3a的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。這些穩(wěn)壓器的內(nèi)部都含有頻率補(bǔ)償器和固定頻率振蕩器，將其外部元件減到最少，大大簡化了電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)使用lm2576hv-15時可輸出15v電壓，而使用lm2576hv-5.0就可輸出5v電壓，完全能夠滿足驅(qū)動板的供電需求。使用時輸入端接48v直流電壓，其輸出電流可以達(dá)到3a。3.1.2 dsp供電電源專用芯片的匹配電源設(shè)計(jì)（1）從串聯(lián)的蓄電池中間抽頭獲取24v電壓，經(jīng)過dc/dc變換器，將24v變換成5v，以滿足dsp專

33、用供電芯片的需要。方案一：應(yīng)用mc34063 dc/dc變換器控制電路將24v直流降壓為5v。mc34063是單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5a的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。圖3-2為mc34063 dc/dc變換器應(yīng)用電路。圖 3-2 mc34063 dc/dc變換器應(yīng)用電路方案二：應(yīng)用lt1936 dc/dc變換器控制電路將24v直流降壓為5v。圖3-3為lt1936 dc/dc變換器應(yīng)用電路。雖然lt1936 dc/dc變換器控

34、制電路與mc34063 dc/dc變換器控制電路的可靠性都比較好，輸出電流亦滿足設(shè)計(jì)要求，但是mc34063 dc/dc變換器控制芯片價格非常便宜，外圍電路也較為簡單，因次選擇了方案一。圖 3-3 lt1936 dc/dc變換器應(yīng)用電路3.2 arm9主處理器概述及其與can總線的連接簡介3.2.1 arm9處理器概述arm9系列處理器是英國arm公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器。arm9采用armv4t（harvard)結(jié)構(gòu)，五級流水處理以及分離的cache結(jié)構(gòu)，平均功耗為0.7mw/mhz。時鐘速度為120mhz200mhz，每條指令平均執(zhí)行1.5個時鐘周期。與arm7系列相似，其中的arm92

35、0、arm940和arm9e為含cache的cpu核。性能為132mips（120mhz時鐘，3.3v供電）或220mips（200mhz時鐘）。本次設(shè)計(jì)選擇了基于arm920核的微處理器s3c2410x，利用gprs進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信5。s3c2410x微處理器是一款由samsung公司設(shè)計(jì)的低功耗、高集成度微處理器，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于pda、移動通信、路由器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。3.2.2 arm9處理器s3c2410x與can總線的連接can總線是由德國bosch公司為實(shí)現(xiàn)汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的、支持分布式控制及實(shí)時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。can總線具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，通信介質(zhì)可

36、以是雙絞線、同軸電纜或光纖；通信方式靈活；可以多主從方式工作，可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；采用短幀通訊格式，保證了實(shí)時性和可靠性，可滿足一般工業(yè)應(yīng)用；非破壞總線仲裁技術(shù)，具有多優(yōu)先級；集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通訊數(shù)據(jù)的成幀處理工作。can模塊一種是獨(dú)立的，另一種是和微處理器集成在一起的。前者的使用靈活，可以和很多種單片機(jī)、微處理器接口；后者可以簡化電路的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。本系統(tǒng)采用的是一種獨(dú)立的can總線控制器sja1000。它是philips公司pca82c200 can控制器的替代品，且增加了一種新的操作模式pelican，這種模式支持ca

37、n2.0b協(xié)議6。sja1000的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示。圖 3-4 sja1000的硬件結(jié)構(gòu)框圖sja1000的地址數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，通過ale信號下降沿可以鎖存總線上的地址信號。s3c2410x與saj1000的連接如圖3-5所示。saj1000與can物理總線的連接將在can功能模塊硬件設(shè)計(jì)章節(jié)給予說明。圖 3-5 s3c2410x與can總線連接示意圖3.3 dsp分布式控制器與dsp最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前，機(jī)器人電機(jī)控制器的主控芯片主要有三種解決方案：電機(jī)專用集成芯片、單片機(jī)和dsp芯片。電動機(jī)控制專用集成芯片具有系統(tǒng)使用元件少、集成度高、響應(yīng)速度快、可靠性好、芯片價格較低及開發(fā)周期短

38、等優(yōu)點(diǎn)。雖然這些芯片集位置檢測、譯碼、過流、過熱、欠壓及正反轉(zhuǎn)選擇等許多功能于一身，但是它們只是將較簡單的軟件算法固化在芯片內(nèi)部，使其不具備系統(tǒng)擴(kuò)展和升級的能力，降低了系統(tǒng)的靈活性。同時這種系統(tǒng)的控制精度一般都較低，難以滿足移動機(jī)器人能高性能、高精度的要求。單片機(jī)作為機(jī)器人運(yùn)動控制器時，也存在很多缺點(diǎn)。首先，一般單片機(jī)上不具備電機(jī)控制所需要的專用外設(shè)（如pwm脈沖發(fā)生器、cap捕獲口等），即以單片機(jī)為核心的運(yùn)動控制器仍然需要較多的外圍元器件，軟硬件設(shè)計(jì)的工程量較大，并增加了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。其次，單片機(jī)一般采用馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，處理器的處理能力有限，難以滿足機(jī)器人運(yùn)算量較大

39、的實(shí)時信號處理的需求。再次，在對無刷直流伺服電機(jī)的控制上，特別是對逆變器的開關(guān)控制上，單片機(jī)很難達(dá)到理想的開關(guān)速度，這對無刷直流伺服電機(jī)來說會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩波動。而dsp芯片作為電機(jī)控制器的控制芯片，具有如下特點(diǎn)：（1）改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。（2）專用的乘法器和累加器。（3）dsp芯片采用多級流水線技術(shù)。（4）芯片內(nèi)部集成度高。（5）片上具有大容量的存儲器，能夠滿足控制系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)及程序的要求。上述優(yōu)點(diǎn)都使得dsp控制器成為處理速度快、能力強(qiáng)、精度高及功耗較低的高性能電機(jī)控制器。由于之前控制電機(jī)的驅(qū)動器都是外購的，價格較貴而且每個驅(qū)動器只能驅(qū)動一個電機(jī)，這樣八個電機(jī)就需要八個驅(qū)動器，占據(jù)了機(jī)器人很大

40、的空間；而本次設(shè)計(jì)的基于dsp的運(yùn)動控制器可同時控制兩臺電機(jī)，使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。3.3.1 tms320f2812 dsp芯片簡介德州儀器所生產(chǎn)的tms320f2812是基于tms320c2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機(jī)及其他運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺。針對應(yīng)用最佳化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，f28x核心支持全新ccs環(huán)境的c編譯器，可以使用c語言和匯編語言混合編程。值得一提的是，f28x dsp核心支持特殊的iq-math函式庫，系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用便宜的定點(diǎn)數(shù)dsp來發(fā)展所需的浮點(diǎn)運(yùn)算算法7。tms320f2812的功能方塊圖如附錄1所示

41、。本設(shè)計(jì)選用tms320f2812作為分布式控制芯片，充分利用dsp片內(nèi)豐富的外設(shè)資源，使控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)大為簡化。在本系統(tǒng)中，通過dsp的外設(shè)模塊單元實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）通過事件管理器(ev)模塊的pwm完全比較單元產(chǎn)生6路死區(qū)可編程的pwm信號，經(jīng)驅(qū)動單元及功率轉(zhuǎn)換電路同時對無刷直流電動機(jī)進(jìn)行控制；（2）利用ev模塊中的捕獲單元(cap)中斷對電機(jī)換相時刻進(jìn)行捕獲；根據(jù)換相時捕獲端口狀態(tài)查詢換相表，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的換相控制；（3）當(dāng)產(chǎn)生故障信號時，利用ev模塊內(nèi)部的驅(qū)動保護(hù)中斷單元，將所有pwm輸出引腳置為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池欠壓及電機(jī)過流保護(hù)；（4）采用片內(nèi)高精度的a/d轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電

42、流等模擬量的采樣；（5）利用dsp內(nèi)部豐富的中斷資源和定時/計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)故障等中斷和轉(zhuǎn)速的檢測。利用dsp的can模塊實(shí)現(xiàn)與arm9主控制器的通信。3.3.2 dsp最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.時鐘電路設(shè)計(jì)在dsp系統(tǒng)中，時鐘電路是處理數(shù)字信息的基礎(chǔ)，同時也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，所以時鐘電路在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有至關(guān)重要的地位。ti dsp系統(tǒng)中的時鐘電路主要有三種：無源晶體電路、有源晶振電路、可編程時鐘芯片電路8。（1）無源晶體電路最為簡單，如圖3-6所示。只需晶體和兩個電容，價格便宜，體積小，能滿足時鐘信號電平要求，但驅(qū)動能力差，不可提供多個器件使用，頻率

43、范圍?。?0khz60mhz），使用時還須注意配置正確的負(fù)載電容，使輸出時鐘頻率精確、穩(wěn)定。（2）有源晶振電路如圖3-7所示，其電路簡單、體積小、頻率范圍寬（1hz400mhz）、驅(qū)動能力強(qiáng)，可為多個器件使用。但由于晶振頻率不能改變，多個獨(dú)立的時鐘需要多個晶振。在使用晶振時，要注意時鐘信號電平，一般晶振輸出信號電平為5v或3.3v，對于要求輸入時鐘信號電平為1.8v的器件（如vc5401、 f281x等），不能選用晶振來提供時鐘信號。（3）可編程時鐘芯片電路較簡單，一般由可編程時鐘芯片、晶體和兩個外部電容構(gòu)成。有多個時鐘輸出，適于多個時鐘源的系統(tǒng)。驅(qū)動能力強(qiáng)，頻寬最高達(dá)200mhz，輸出信號電

44、平一般為5v或3.3v。常用器件為cy22381（封裝如圖3-8，有3個獨(dú)立的pll，3個時鐘輸出）和cy2071a（有1個pll，3個時鐘輸出）。采用可編程時鐘芯片電路，可在線對系統(tǒng)工作時鐘進(jìn)行控制?？梢栽谳^低的外部時鐘源的情況下，通過內(nèi)部集成的pll鎖相環(huán)倍頻，獲得所需工作頻率。圖 3-6無源晶體電路圖 3-7 有源晶振電路圖 3-8 可編程時鐘芯片一般ti dsp芯片能提供多種靈活的時鐘選項(xiàng)，可以使用片內(nèi)/片外振蕩器、片內(nèi)pll或由硬件/軟件配置pll分頻/倍頻系數(shù)。本次設(shè)計(jì)采用封裝好的晶體振蕩器。為降低時鐘的高頻噪聲干擾，提高系統(tǒng)整體的性能，石英晶體頻率等于150mhz（dsp芯片主頻

45、）80%25%=30mhz9。故選取30mhz的晶體，能夠滿足dsp的工作要求。兩個負(fù)載電容選取24pf，可對時鐘頻率起到微調(diào)作用。為使tms320f2812運(yùn)行在150mhz頻率下，通過內(nèi)部倍頻到150mhz。無源晶體與dsp的連接電路如圖3-9所示。圖 3-9 無源晶體與dsp的連接電路2. dsp復(fù)位電路設(shè)計(jì)對于實(shí)際的dsp應(yīng)用系統(tǒng)，特別是產(chǎn)品化的dsp系統(tǒng)，可靠性是一個不容忽視的問題。實(shí)際上dsp系統(tǒng)的時鐘頻率較高，在運(yùn)行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象10。為克服這種情況，除在軟件上采取一些保護(hù)措施外，硬件上也必須做相應(yīng)處理。最有效的措施是采用具有監(jiān)視功

46、能的自動復(fù)位電路。自功復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行并在系統(tǒng)發(fā)生故障或死機(jī)時再次進(jìn)行復(fù)位的能力。其基本原理是提供一個用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)視線，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，在規(guī)定的時間內(nèi)給監(jiān)視線提供一個高低電平發(fā)生變化的信號。如果在規(guī)定的時間內(nèi)此信號不發(fā)生變化，自動復(fù)位電路就認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行不正常，對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。圖3-10為復(fù)位電路原理圖。由于上拉電阻r1的作用，復(fù)位端保持高電平，當(dāng)按下按鈕sw時，復(fù)位端產(chǎn)生一個低電平，使得dsp復(fù)位。圖中c1的作用是消除抖動，c2協(xié)助實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路體現(xiàn)在dsp電源電路中。圖 3-10 復(fù)位電路原理3. dsp電源設(shè)計(jì)tms320lf28

47、12是一種低功耗dsp，工作電壓為3.3v，需要設(shè)計(jì)專門的電源電路來滿足要求。dsp最小系統(tǒng)一般有兩種電壓：核供電（1.8v）和i/o供電（為3.3v），兩者供電是分開的。同時，由于芯片的a/d模塊屬于模擬電路部分，為減少數(shù)字電路部分對這部分的干擾，要求提供相隔離的電源電路?？梢赃x用兩個電源芯片，也可以使用一個電源芯片，但是通過電感或者磁珠進(jìn)行隔離11。dsp電源加電順序：核電壓要比 i/o 電壓先加載, 至少要同時加載。其原因在于：若只有cpu內(nèi)核獲得供電，周邊i/o沒有供電，對芯片不會產(chǎn)生任何損害，只是沒有輸入/輸出能力而已；如果反過來，周邊i/o得到供電而cpu內(nèi)核沒有加電，那么芯片緩沖

48、/驅(qū)動部分的三極管將在一個未知狀態(tài)下工作，這是非常危險的。在有一定安全措施保障的前提下，允許兩個電源同時加電，兩個電源都必須在25ms內(nèi)達(dá)到規(guī)定電平的95%12。如果i/o電壓存在而核電壓不存在，會損害內(nèi)核。同時電源關(guān)閉也應(yīng)該遵循這樣的條件。一般有如下三種方法： 方法一：兩個電同時上，選用兩款同樣的電壓芯片,只是其輸出電壓可調(diào)； 方法二：選用帶雙路輸出的電源芯片，芯片上有控制兩路輸出順序的管腳；方法三：使用兩個不同的電源芯片，芯片上有相當(dāng)于輸出使能的管腳。以下給出具體實(shí)現(xiàn)方案：方案一：采用tps767d301作為電源芯片，電路如圖3-11所示。tps767d301芯片可以輸出3.3v和1.8v

49、電壓，具有電源監(jiān)控功能，能夠在電源電壓波動時及時給dsp復(fù)位，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖 3-11 應(yīng)用tps767d301芯片的dsp電源電路圖方案二：采用tps70151作為電源芯片，電路如圖3-12所示。tps70151除了可以穩(wěn)定輸出3.3v、1.8v電壓外，同時具有復(fù)位功能。tps70151復(fù)位腳與dsp復(fù)位腳相連接，當(dāng)電源電路出現(xiàn)波動時，其復(fù)位腳可以輸出200ms的復(fù)位信號，保證dsp芯片復(fù)位。該芯片同時具有手動復(fù)位功能。另外tps70151的seq引腳接地，保證了電源上電順序的要求。圖 3-12 應(yīng)用tps70151芯片的dsp電源電路圖方案一和方案二都可以很好的完成dsp電源設(shè)計(jì)

50、。方案一的芯片應(yīng)用電路較為復(fù)雜而且本身沒有手動復(fù)位電路，因此本次設(shè)計(jì)我們選擇方案二。4.存儲空間擴(kuò)展tms320f2812內(nèi)置18 kb ram，本設(shè)計(jì)又?jǐn)U展了256 kb saram。芯片選用is61lv25616 (256k16位)，其數(shù)據(jù)訪問時間為10 ns。由于tms320f2812采用統(tǒng)一尋址方式，因此擴(kuò)展的saram既可以作程序存儲器也可以作數(shù)據(jù)存儲器。同時，為了使保存的數(shù)據(jù)掉電不丟失，擴(kuò)展了32 kb eeprom，選用at28lv256（32k8位），用2片組成32k16位。外擴(kuò)存儲器與tms320f2812的接口電路如圖3-13所示。將saram分配在zone2，地址范圍為0

51、x800000xbffff，片選信號與tms320f2812的xzcs2相連。eeprom分配在zone6，地址范圍為0x100000x107fff，片選信號為zcs6and7。圖 3-13 外部存儲器與tms320f2812的接口電路5. jtag接口電路設(shè)計(jì)通常所說的jtag大致分兩類，一類用于測試芯片的電氣特性，檢測芯片是否有問題；一類用于調(diào)試。一般支持jtag的cpu內(nèi)都包含了這兩個模塊。jtag是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。jtag技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路tap（test access port，測試訪問口），通

52、過專用的jtag 測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。標(biāo)準(zhǔn)的jtag接口為4線：tms、tck、tdi、tdo，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。本設(shè)計(jì)中使用jtag接口實(shí)現(xiàn)軟件在線調(diào)試和仿真13。jtag仿真口電路如圖3-14所示。圖 3-14 jtag接口電路圖3.4 can功能模塊硬件設(shè)計(jì)tms320f2812中集成了增強(qiáng)型控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(ecan)總線通信接口，該接口與現(xiàn)行的can2.0b標(biāo)準(zhǔn)接口完全兼容，帶有32個完全可配置郵箱和定時郵遞功能的增強(qiáng)型can總線模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的串行通信接口。tms320f2812的can控制器為cpu提供完整的can協(xié)議，減少了通

53、信時cpu的開銷。tms320f2812的can控制器模塊是一個完全的can控制器，具有可編程的位定時器、中斷配置可編程、可編程的can總線喚醒功能、自動回復(fù)遠(yuǎn)程請求、總線錯誤診斷等功能，可以工作在標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式。內(nèi)置32個可配置的接收/發(fā)送郵箱完成數(shù)據(jù)收發(fā)，可進(jìn)行自測試14。本系統(tǒng)采用tms320f2812芯片自帶的ecan作為can控制器，使dsp方便的介入到can總線，不必外加can控制器來實(shí)現(xiàn)can總線的底層協(xié)議。為提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，一般在can控制器和物理總線間以及前面提到的saj1000與can物理總線之間添加驅(qū)動芯片。驅(qū)動電路有多種設(shè)計(jì)方案：方案一：采用3.3v

54、供電的芯片sn65hvd230 can總線收發(fā)驅(qū)動電路，如圖3-15所示。方案二：采用5v供電的芯片pca82c250 can總線收發(fā)驅(qū)動電路，如圖3-16所示。一般在can控制器和物理總線間采用sn65hvd230驅(qū)動芯片，但由于sn65hvd230為3.3v供電，而pca82c250采用5v供電，為了便于驅(qū)動芯片隔離電源的設(shè)計(jì)，選擇了使用5v供電的can總線收發(fā)驅(qū)動芯片的方案二。圖 3-15 采用芯片sn65hvd230的can總線收發(fā)驅(qū)動電路圖 3-16 采用芯片pca82c250的can總線收發(fā)驅(qū)動電路有了以上電路，就可以實(shí)現(xiàn)tms320f2812通過can總線的實(shí)時通信。如圖3-17

55、所示。圖 3-17 tms320f2812通過can總線的實(shí)時通信3.5 pwm信號隔離及驅(qū)動電路1. pwm信號隔離電路由于電機(jī)為感性負(fù)載，大電壓干擾信號可能通過信號線竄入dsp控制器，因此dsp控制板上的pwm輸出信號需要和驅(qū)動板上的控制信號隔離。鑒于本設(shè)計(jì)中dsp輸出pwm信號的頻率比較高，因此采用高速光耦hcpl-063a實(shí)現(xiàn)對pwm信號的隔離。pwm信號隔離電路如圖3-18所示（圖為6路中的2路）。圖中輸入端vdd33為dsp控制板上的+3.3v電壓信號，輸出端vcc5為驅(qū)動電路板電源產(chǎn)生的+5v電壓。pwm16為dsp控制器產(chǎn)生的6路pwm信號，gpwm16為光耦隔離后輸入到電機(jī)驅(qū)

56、動芯片的6路信號。光耦hcpl-063a輸入輸出兩側(cè)的電源信號不相通，這樣就起到了信號隔離的作用。圖 3-18 pwm信號的隔離電路2.功率驅(qū)動電路功率驅(qū)動電路是將輸入直流電壓逆變成所需要的“交流”電壓來驅(qū)動無刷直流電機(jī)。由于上下橋臂管導(dǎo)通順序及導(dǎo)通時間的長短不同，從而使電機(jī)準(zhǔn)確換相并且能達(dá)到“變頻”調(diào)速。系統(tǒng)中功率逆變電路由6只功率開關(guān)管組成，電機(jī)功率逆變電路設(shè)計(jì)主要有3種方法15：（1）采用驅(qū)動芯片加igbt的形式，該結(jié)構(gòu)適用于大功率電機(jī)。（2）采用智能功率模塊，本身具有過壓、欠壓、過流和溫度保護(hù)功能，但體積較大，價格較高。（3）采用驅(qū)動芯片加mosfet的形式，適用于中小型電機(jī)。本設(shè)計(jì)中采用驅(qū)動芯片加mosfet的形式。dsp輸出的pwm信號經(jīng)光耦隔離后，送到驅(qū)動芯片輸入端，由驅(qū)動芯片驅(qū)動功率mosfet。驅(qū)動芯片采用ir2136，該芯片只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路中6個mosfet功率開關(guān)器件，使驅(qū)動電路簡單可靠。ir2136正常工作時，輸入的