摘要：根據機器人控制性能的要求，設計了一個基于CAN總線的分布式機器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由上位主控計算機、通訊部分和下位各關節(jié)控制器組成，具有連線簡單，擴充方便，通訊穩(wěn)定可靠，控制實時性高等特點。并對機器人關節(jié)控制器的硬件電路設計和控制軟件設計作了詳細闡述。該控制系統(tǒng)已用于研制的6DOF機械手，控制效果良好。
關鍵詞：CAN總線；Motorola DSP；分布式控制；機器人控制器
 

0 引言

機器人控制系統(tǒng)是機器人信息處理和控制的主體，其設計好壞將決定機器人系統(tǒng)的整體行為和性能。機器人控制系統(tǒng)結構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實現全部功能，這種方式具有結構簡單、經濟的特點，但處理能力有限，難以滿足高性能控制要求并且控制風險高度集中。（2）主從控制方式，用主從兩個CPU進行控制，主CPU擔當系統(tǒng)管理，機器人語言編譯和人機接口功能，同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補；從CPU完成全部關節(jié)位置數字控制，主從CPU間通過公用內存交換數據，對采用更多的CPU進一步分散功能比較困難。（3）分布式控制，普遍采用上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等，下位機由多個CPU組成，每個CPU控制一個關節(jié)運動，這些CPU和上位機通過總線形式相。這種結構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器人控制方式^[1]。傳統(tǒng)的機器人控制器采用MCU作為控制芯片，其運算速度和處理能力難以滿足日益復雜的機器人控制。在通訊方式上，常用的是RS422或RS485通訊，通訊的實時性較差，故障率較高，出現故障時，不容易排查^[2]。本文所設計的機器人控制系統(tǒng)采用分布式控制方式，上位機采用高性能的工業(yè)PC機，下位關節(jié)控制器選用集成DSP的高速運算處理能力和MCU的控制特性于一體的Motorola DSP56F807作為控制芯片，上位機和下位各關節(jié)控制器之間采用了有效地支持分布式控制和實時控制的CAN（Controller Area Network）總線通訊方式，既能快速地實現機器人控制的復雜算法，又具有較高的控制實時性，是一個高性能的機器人控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)結構

    機器人是一個多自由度系統(tǒng)。機器人控制本質上是對各個關節(jié)的運動進行控制，使其協(xié)調運動，從而完成一些相對復雜的動作。該控制系統(tǒng)采用分布式控制方式，由上位主控計算機模塊、通訊模塊和下位關節(jié)控制器模塊組成，如圖1 所示。上位主控計算機負責整個系統(tǒng)的調度管理、在線運動規(guī)劃、故障診斷和人機交互等功能；通訊模塊負責上位計算機與下位各關節(jié)控制器之間的實時信息交換；各關節(jié)控制器和驅動直流無刷電機集成在一起，各個關節(jié)的運動由各關節(jié)控制器發(fā)出PWM信號驅動直流無刷電機實現。

  圖1控制系統(tǒng)簡圖

1.1 上位主控計算機模塊

上位計算機是控制系統(tǒng)的中樞，要求體積小，運算速度快，滿足機器人實時控制的要求,通常采用高性能工業(yè)控制計算機。上位機應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軟件控制的核心，可實現單關節(jié)控制和多關節(jié)協(xié)調控制，圖2為單關節(jié)控制部分流程圖，單關節(jié)控制是從上位機輸入關節(jié)應該運動的期望位置值，然后向下位關節(jié)控制器發(fā)送單關節(jié)控制指令，并從下位關節(jié)控制器接受關節(jié)實際位置信息；下位關節(jié)控制器從上位機接收位置信息并加以運算處理，輸出PWM信號驅動直流無刷電機運動到期望位置。上位計算機的控制周期為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節(jié)控制器交互信息。

                   圖2上位機單關節(jié)控制程序流程圖

1.2 通訊模塊

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

本控制系統(tǒng)中，上位計算機通過周立功單片機公司的USBCAN-II智能CAN接口卡連接到CAN網絡，在上位機中調用隨卡提供的ZLGVCI驅動庫函數，來實現CAN通信的管理和監(jiān)控。CAN網絡各設備間通過雙絞線連接，因為雙絞線的特性阻抗為120歐，為了增強CAN通信的可靠性和抗干擾性，在CAN網絡的兩個端點加入120歐的抑制反射的終端匹配電阻。

1.3 下位關節(jié)控制器模塊

下位關節(jié)控制器模塊是整個控制系統(tǒng)的底層，與各關節(jié)驅動電機集成在一起，實際上是一個單關節(jié)運動控制和驅動模塊，主要用來控制各個關節(jié)運動具體執(zhí)行過程。關節(jié)控制器接收主控計算機的控制命令,對各個關節(jié)的運動進行控制，同時把底層信息反饋給上位計算機，便于上位計算機協(xié)調規(guī)劃，統(tǒng)一管理。所有的下位關節(jié)控制器在硬件結構上*相同，根據各關節(jié)運動控制的差異，內部灌注的軟件程序有所不同。關節(jié)控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，也是本文研究的重點，它的性能好壞直接關系到機器人的整體性能。

2 控制器硬件系統(tǒng)設計

    控制器硬件系統(tǒng)按結構和功能可分為主處理器單元、電源電路、電機驅動電路、CAN接口電路、欠壓保護電路、過流檢測電路等模塊，具體電路如圖3所示。

             圖3控制器硬件電路原理簡圖

2.1 主處理器芯片

    本設計核心控制芯片采用Motorola DSP56F807，該芯片混合了DSP 的高速運算能力與MCU 的控制特性于一體，提供了許多于電動機控制的外設，包括兩個脈寬調制模塊（PWMA、PWMB）、2個相位檢測器模塊（quadrature decoder）、12位精度的模數轉換模塊（ADC）、4個定時器模塊、通訊外設模塊（SCI、SPI、CAN）等，因此非常適合于對實現機器人各關節(jié)運動的直流無刷電機進行數字控制^[4]。

2.2 CAN接口電路

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

2.3 電機驅動電路

    電機驅動采用Motorola公司的MPM3003，它內部由上橋臂的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，是理想的伺服電機驅動集成電路芯片^[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 控制器軟件設計

控制器軟件設計是在Codewarrior6.0集成開發(fā)環(huán)境下進行的，采用模塊化設計，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實現，如圖4所示。初始化模塊的作用是初始化DSP 及控制參數，主循環(huán)模塊是一個死循環(huán)，主要是查詢是否有中斷產生，如果有中斷則轉而去執(zhí)行相應的中斷服務子程序。數字PID控制子程序是實現控制功能的主體，完成對關節(jié)的位置、速度PID控制，通過定時器中斷實現。

              圖4控制器軟件結構簡圖

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

常規(guī)PID算法數字離散化為：

式中，K_P,K_I,K_D分別為調節(jié)器的比例、積分和微分系數；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次的調節(jié)器輸出。

改進后的變速積分PID算法為：

     f[E（k）]是E（k）的函數，當|E（k）|≤B時，進行常規(guī)的PID控制；當|E（k）|＞（A+B）后，不再進行積分項的累加；而當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結論

本文設計的機器人分布式控制系統(tǒng)，采用CAN總線作為通信方式，和過去機器人控制中常用的RS485總線相比具有通訊穩(wěn)定可靠、實時性高等優(yōu)點。在下位關節(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現控制功能，又能以較快的運算速度實現復雜的控制算法，克服了過去利用MCU作為控制芯片時，難以實現復雜的控制算法的缺點。在控制器軟件中采用了改進的變速積分PID算法，對關節(jié)位置、速度進行數字PID控制。該控制系統(tǒng)即插即用，功能擴展和故障處理方便；連線簡單，過去對6DOF的機械手進行控制,需118根線纜（包括電機線、傳感器線和其它開關量控制線），現在只需一根雙絞線，外觀也很美觀；另外，各關節(jié)控制器直接分布在控制現場，使模擬信號傳輸距離明顯縮短，有效地改善了抗*力。

參考文獻：

[1]    范永，譚民. 機器人控制器的現狀及展望. 機器人. 1999,21

[2]    劉華，程莉等. 機器人控制器與被控機器人的通訊方法研究. 機器人技術與應用.2002,4

[3]    鄔寬明. CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計. 北京:北京航空航天大學出版社，1996

[4]    DSP56F800 User Manual. Rev.6.0 Motorola Inc,2004

[5]    陳粵初. Motorola 單片機及集成芯片應用系統(tǒng)設計. 北京:北京航空航天大學出版社，1994

[6]    楊飛，鄭貴林. 基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設計. 微計算機信息.2005,21（7）