全向移动机器人中电动机控制系统的研究

第４９卷　第１２期　２０１６正　１２月　＇Ｉ｝籼　ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ　Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２０１６　全向移动机器人中电动机控制系统的研究　刘银萍　（广东工业大学实验教学部，广州５１０００６）　摘　要：针对ＲｏｂｏＣｕｐ四轮全向移动机器人的功能要求，设计了一种基于ＤＳＰ２８１２的直流电动机控制系统。相对于　传统的微控制器，使用高性能的ＤＳＰ２８１２作为机器人的ＣＰＵ简化了外围电路，提高了系统的集成度高和稳定性。同　时采用Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制算法，弥补了单一控制算法的缺陷，改善了电动机的动态性能。实验结果表明，该系统提高　了电动机的快速性和控制精度，改善了机器人的运动性能。　关键词：全向移动机器人；电动机；ＤＳＰ　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１－６８４８（２０１６）１２－００５０—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｏｍｎｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｒｏｂｏｔ　ＬＩＵ　Ｙｉｎｐｉｎｇ　（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｅｎｔ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｍｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａ　ｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌ　ｄｒｉｖｅｄ　ｏｍｎｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ，ａ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ２８１２　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｉｃｒｏ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｕ－　ｓｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ＤＳＰ２８　１　２　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ’Ｓ　ＣＰＵ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｅｘ－　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ＇ｓ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｍｎｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ；ｍｏｔｏｒ；ＤＳＰ　Ｏ　引　言　全自主足球机器人的运动机构是由４只全向轮　组成的四轮机构…。由于全自主移动机器人采用全　方位轮这种特殊的驱动机构，使得它可以在二维平　面上具有３个自由度，能够沿任意方向同时作平动　和转动，其移动的快速性和机动性要优于自由度小　于３个非全自主移动机器人　Ｊ。电动机作为全向移　动机器人运动的执行者，其控制性能的优劣将直接　影响到整个机器人实际运动结果的好坏。因此，必　须对其执行机构即４个电动机要有精确的控制。本　文以ＲｏｂｏＣｕｐ赛事中的中型组足球机器人为研究平　台，设计了一种以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为控制核心的无刷　的数字信号处理器（ＤＳＰｓ）－ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作为电动机　的控制器。该芯片是Ⅱ公司２００３年正式推出的３２位　定点ＤＳＰ，处理速度为１５０ＭＩＰＳ，不但具有高速信号　处理和数字控制功能所必需的体系结构，而且有特别　适合于电动机控制所需要的主要功能模块，如ＰＷＭ　产生电路、正交编码模块、事件捕捉、多路ＡＤ模数　直流电动机控制系统，实现对电动机的高效控制。　转换模块、与外界通信的ＳＰＩ（Ｓｅｒｉｌａ　Ｐｅｉｒｐｈｅｒｌａ　Ｉｎｔｅｒ－　ｆａｃｅ，串行外围接口）、ＳＣＩ（Ｓｅｒｉｌａ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｉｎ．　ｔｅｒｆａｃｅ，串行通信接口）和ＣＡＮ现场总线模块，可以　较大程度地减少硬件连接，简化硬件电路　Ｊ。但由于　该型ＤＳＰ芯片只具有双事件管理器ＥＶＡ和ＥＶＢ，只　能接两路的电动机码盘信号，因此，本系统用双ＤＳＰ　架构协同处理４台电动机的信息。　１．２电动机控制电路　１控制系统的硬件设计　１．１　电动机控制器设计　电动机的控制电路如图１所示，主要包括电动　机驱动电路、电动机码盘信号检测电路等。要注意　的是直流电动机光电编码器输出脉冲的电压要经过　本设计采用ｒｒＩ公司推出的针对数字电动机控制　收稿日期：２０１６一Ｏ１—２２，修回日期：２０１６—０５—１７　基金项目：广东工业大学青年基金资助项目（２５２１５１０１７）　作者简介：刘银萍（１９８０），女，硕士，实验师，研究方向为机器人智能控制。　１２期　刘银萍：全向移动机器人中电动机控制系统的研究　・５ｌ・　电平转换芯片变为ＤＳＰ　Ｉ／Ｏ口电压３．３　Ｖ后才输入ＤＳＰ，如图２所示。　图１　电动机驱动电路图　电动机驱动电路采用的是单电源供电的Ｈ桥电动　机ＰＷＭ驱动电路。ＩＲＦ３２０５为Ｎ沟道增强型功率管，　Ｑｌ、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４构成Ｈ桥ＰＷＭ放大电路．　Ｉ１＂１２１０１　是专为驱动半桥逆变器巾同桥臂的两个ＭＯＳＦＥＴ或　２控制系统的软件设计　软件的程序流程如同３所示，进行系统初始化　之后，主程序循环读取控制指令（Ｆ｝ｊ　ＳＣＩ中断服务程　序提供）和电动机的转速数据（南定时器巾断服务程　序提供），交南Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制算法模块计算出新　的控制量，运算的结果送到比较寄存器，输出占空　比不同的ＰＷＭ波形，通过电动机驱动器实现对电动　机速度的控制。系统软件的设计主要包括：正交编　ＩＧＢＴ而设计的高压、高速驱动器，它有两路输Ⅲ，２　片ＩＲ２１０１就可驱动Ｈ桥上下臂功率管。ＤＳＰ２８１２输　ｌ叶Ｊ的电动机渊速信号ＰＷＭ１为高电平时，通过ＩＲ２１０１　放大后输｝Ｉ｛接近于电源电　的高电平，加到Ｑ１的栅　极驱动它导通。同　，若ＰＷＭ４也为高电平，则Ｑ４　也导通，ＪｔＬｔｔ，ｊ－，电动机两端加正向电压，实现电动机　码脉冲程序、ＰＷＭ程序、Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制算法。　正转。同理，Ｑ２、Ｑ３导通实现反转。当Ｑｌ、Ｑ３关　闭且Ｑ２、Ｑ４导通，直流电动机快速制动。　ＤＳＰ２８ｌ２具有两路的正交编码脉冲（ＱＥＰ）电路，　可以通过接收电动机的光电编码盘脉冲信号来测量　电动机输ｊＩ｛的转速和角位移等信息。光电编码器有　３个输出，分刖为相位Ａ、相位Ｂ、和索引（ＩＮ—　ＤＥＸ），每路信号都足差分输　，需要将差分信号转　换成单端信号，同时由于光电编码器供电电压是　５　Ｖ，输ｍ的信号也是５　Ｖ电平，而ＤＳＰ　作电压是　３．３　Ｖ，所以码盘信号需要经过５　Ｖ转３．３　Ｖ电平转　换电路输入到ＤＳＰ正交编码脉冲电路处理，转换原　理如图２所示。　Ａ　一　图３程序流程图　光　２．１正交编码脉冲程序　本设计采用的驱动电动机是Ｍａｘｏｎ　ＲＥ３０直流电　电　编　鹤　Ｂ　器　一动机，配套５００线的增量式光电编码盘，能输出两　　８　路脉冲序列。ＤＳＰ２８１２带有两个正交编码脉冲　图２　光电编码盘信号处理框图　（ＱＥＰ）电路，提供了与这种编码器的接口，用于连　・　・　｜ＩＬ＇Ｉ｝机　４９卷　接光电编码器以获得电动机的位置和速率信息。由　于正交编码脉冲是两个频率变化且正交（即相位相差　９Ｏ。）的脉冲，ＤＳＰ编码器接口电路利用两个正交编　码脉冲的四个边沿加工成四倍频的计数脉冲信号和　计数方向信号。其编码脉冲和时钟波形如图４所示。　ＱＥＰ模块对电动机编码盘输出的脉冲进行计数，再　将该计数值四分频后就得到电动机的实际转速。计　数方向由ＤＩＲ信号决定：当ＱＥＰ１输入超前时，所选　计数器加计数；当ＱＥＰ２输入超前时，计数器减计　数；通过读取通用定时器控制寄存器ＧＰＴＣＯＮＡ中　方案。当速度偏差较大，如电动机在启动或大幅度　增减设定值时，短时间内系统输出会有很大的偏差　的时候，采用Ｆｕｚｚｙ控制，以加快响应速度；当速　度较小进人稳态过程后，则由程序切换到ＰＩＤ控制，　使系统控制在稳定中趋于精确。具体做法：首先根　据目标转速设定车轮的ＰＷＭ信号占空比，然后计算　车轮转速与目标误差，若偏差超过某个特定值，则　将转速的偏差及偏差的变化率，作为模糊控制器的　输入，通过模糊控制器内部推理，得出车轮的实时　ＰＷＭ控制信号作为输出；相反，若转速偏差未超过　所选的定时器的状态，即可以判断电动机的运转　方向　。　ＱＥｆ’１　ＱＥＰ２　四倍频ＣＬＫ　ＤＩＲ　图４　正交编码脉冲和时钟波形　２．２　ＰＷＭ程序　本设计采用ＰＷＭ进行电动机调速，利用对ＤＳＰ　的事件管理器模块进行设置，使其能够产生占空比　符合要求的ＰＷＭ波形。通过功率器件将所需的电流　和能量传送到电动机线圈绕组中来控制电动机的速　度和转矩，ＰＷＭ信号控制功率器件的开启和关闭时　间，以改变伺服电动机电枢上的电压“占空比”的方　式实现对平均电压大小的调节，从而控制电动机的　转速。ＤＳＰ２８１２可同时产生多达１６路的ＰＷＭ波形　输出，本设计采用其中的四路来控制机器人的２个　轮子，通过改变ＰＷＭ波形的占空比的数值来调节电　动机的转速。ＤＳＰ２８１２使用定时器周期寄存器的周　期值和比较寄存器的比较值来实现产生ＰＷＭ波的方　法。周期值用于产生ＰＷＭ的周期，比较值用于产生　ＰＷＭ波的脉宽。比较寄存器的值不断与计数器的值　相比较，当两个值匹配时，相应的ＰＷＭ引脚　（ＰＷＭｘＨ或ＰＷＭｘＬ）上的电平产生跳变（正跳变或　负跳变）。当时基寄存器的值与周期寄存器的值匹配　时，相应ＰＷＭ引脚上的电平会产生另一个跳变，结　束这个周期。因此，通过改变周期寄存器的值来改　变ＰＷＭ的周期，通过比较寄存器的值来改变脉冲宽　度。在每个定时器周期中，保持周期值不变，改变　比较寄存器的值就可以得到一系列周期不变而占空　比不同的连续的ＰＷＭ波形。　２．３　Ｆｕｚｚｙ．ＰＩＤ控制算法设计　考虑到机器人电动机的非线性和大量随机扰动，　本控制系统采取经典ＰＩＤ算法和模糊控制相结合的　特定值，则通过经典ＰＩＤ控制理论，计算车轮的实　时ＰＷＭ控制信号作为输出【４ｊ。　模糊控制器由模糊化、模糊推理、反模糊化三个　基本部分构成。在该控制系统中，Ｆｕｚｚｙ控制器的输　入量是实际转速与设定目标值的偏差Ｅ以及转速偏差　的变化率ＥＣ，输出量为控制器输出的增量△　将Ｅ，　ＥＣ和的论域界定为１３个等级，即：｛一６，一５，一　４，一３，一２，一１，０，１，２，３，４，５，６｝。在本设　计中，每个输入语言变量Ｅ、ＥＣ和输出语言变量ＺｌＵ　分别定义７个语言变量值：负大（ＮＢ）、负中（ＮＭ）、　负小（ＮＳ）、零（ｚＥ）、正小（Ｐｓ）、正中（ＰＭ）、正大　（ＰＢ），Ｅ，ＥＣ，ＡＵ的模糊子集均采用三角形隶属度　函数　Ｊ。而Ｆｕｚｚｙ规则的选取以Ｅ和ＥＣ的大小为依　据，设计原则为：当Ｅ较大时，控制量应尽可能快地　减小Ｅ；当Ｅ较小时，除了消除Ｅ外，还必须考虑系　统的稳定性，以避免不需要的超调和振荡　Ｊ。采用　Ｍａｒｅｄａｎｉ推理合成算法，用重心法进行模糊判决以得　到模糊集合的清晰化。　由于计算机根据采样时刻的偏差值计算控制量，　因此本设计采用增量式数字ＰＩＤ增量式算法，该算　法的数学模型如下式ｌ　表示：　△Ｍ（　）＝Ｋｐ［ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一１）］＋Ｋｉｅ（ｋ）＋　［ｅ（ｋ）一ｅ（ｋ一１）＋ｅ（ｋ一２）］　（１）　式中，５ｕ（ｋ）为当前控制量／．ｔ（ｋ）和此前时刻控制量　（ｋ一１）的变化量　。、Ｋ、　分别为比例、积分和　微分控制参数，ｅ（ｋ）、ｅ（ｋ一１）、ｅ（ｋ一２）分别为当　前测量、前次测量和前两次测量的偏差值。　３实验及结果分析　机器人４个轮子的驱动电动机为Ｍａｘｏｎ　ＲＥ３０永　磁石墨有刷直流电动机。电机主要参数：额定电压　２４　Ｖ，额定功率６Ｏ　Ｗ，额定电流３．４４　Ａ，额定转速　８０５０　ｒ／ｍｉｎ，电枢电阻０．６１１　Ｑ，电枢电感０．１１９　ｍＨ，机械时间常数３　ｍｓ。表１为ＰＩＤ和Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　控制器的调节时间和超调量。在初始速度为０时，　１２期　刘银萍：全向移动机器人中电动机控制系统的研究　・５３・　分别突加２０、５０、和８０控制量（单位为ｒ／ｓ）的情况　下分别采用常规ＰＩＤ和Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ复合控制对电动机　的转速进行实验。从表１可以看出，采用Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ　从实验结果显示，机器人能够较好地跟踪给定　的轨迹，达到按一定预期的行进时的平稳及其运行　时轨迹的圆滑的要求，完全能满足全自主机器人足　球比赛的要求。　算法的控制效果明显优于普通ＰＩＤ算法的设计。　表１　ＰＩＤ和Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制器的调节时间和超调量　控制量／　ＰＩＤ控制器　Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制器　４　结　语　本文阐述了基于ＤＳＰ芯片的４轮全向移动足球　机器人电动机控制系统的硬件和软件设计，相对于　（ｒ／ｓ）　调节时间／ｍｓ超调量调节时间／ｍｓ超调量　传统的微控制器（ＭＣＵ），ＤＳＰ依靠强大的数字处理　功能，以及丰富的电动机控制接口，简化了外围设　将该电动机控制系统应用到中型组足球机器人　上，并对机器人的转动性能和直线运动性能进行　测试。　（１）转动性能测试：足球机器人以相同的线速　度（０　ｍ／ｓ），不同的角速度自转，测得机器人自转中　心的轨迹偏差如表２所示。从表中可以看出，实测　转动中心的轨迹偏差都小于３　ｃｍ，这表明机器人的　转动性能较好。　表２机器人自转中心的轨迹偏差　（２）直线运动性能测试：将机器人进行跟踪直　线速度运动性能测试。被跟踪的直线的起始坐标是　［０，０］，与　轴的夹角为４５。，机器人初始位置即　起始点为［０，０］，车轮的初始速度均为Ｏ，采样时　间为２０、ｍｓ。跟踪轨迹结果如图５所示。　图５直线轨迹时的跟踪效果　备，提高了系统的稳定性和集成度，同时采用了　Ｆｕｚｚｙ．ＰＩＤ控制算法，弥补了单一的控制算法的缺陷　而又充分发挥它们各自的优点。这种控制体系结构　大大简化了硬件电路的复杂度，加快了电动机控制　系统的响应速度，充分的体现了４轮驱动的优势，　获得了良好的控制效果。　参考文献　［１］　牟学刚，朱蒋平．三轮全向足球机器人结构设计与系统模型研　究［Ｊ］．机械与电子，２００６（５）：３８－４１．　［２］何效飞，杨宜民．基于模糊自适应控制的全向移动机器人的运　动控制研究［Ｊ］．计算机与现代化，２０１２（９）：１５９—１６２．　［３］　曹晨．用于轮式移动机器人的一体化驱动系统设计和开发［Ｄ］．　南京：南京理工大学，２００７．　［４］　刘滔．基于模糊逻辑的轮式移动机器人运动控制研究与实现　［Ｄ］．广州：广东工业大学，２０１０．　［５］吴继伟，杨宜民．一种新的直流电动机调速方法研究［Ｊ］．电　力电子技术，２０１０（２）：６４－６６．　［６］　蔡自兴．智能控制［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４．　［７］岑汉彬，杨宜民．足球机器人中电动机控制系统的研究［Ｊ］．　微特电机，２００５（１）：１１．１２。１５．