摘  要： 給出一種小型機(jī)器人關(guān)節(jié)控制電路系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。該方案以意法半導(dǎo)體32位單片機(jī)STM32為核心處理器,，通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)的命令和反饋傳感器采集的信息,，利用雙相DMOS全橋驅(qū)動(dòng)電路芯片A3995驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)，采用PID算法實(shí)現(xiàn)空心杯直流電機(jī)的高精度閉環(huán)定位控制,。其中關(guān)節(jié)位置信息的采集使用的是AS5045磁旋轉(zhuǎn)編碼器,，分辨率達(dá)到0.087 9°。關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)動(dòng)的誤差控制在1°以內(nèi),，關(guān)節(jié)控制電路板的面積為11.88 cm2,，信號(hào)傳輸速率為1 Mb/s。

　　關(guān)鍵詞： 空心杯直流電機(jī),；STM32嵌入式微處理器,；磁旋轉(zhuǎn)編碼器；PID控制

0 引言

　　小型化機(jī)器人在通信,、軍事,、醫(yī)療、航天航空以及家庭服務(wù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值,。機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的準(zhǔn)確定位和控制是小型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),。關(guān)節(jié)控制精度、與上位機(jī)的通信,、功耗,、控制電路體積是小型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　關(guān)節(jié)控制電路的電機(jī)選取空心杯直流電機(jī),，該種電機(jī)具有突出的節(jié)能特性,、靈敏的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性,，廣泛用于各種機(jī)電產(chǎn)品中[1]。本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速準(zhǔn)確控制,，需要進(jìn)行比例積分微分（PID）控制算法運(yùn)算,，因此采用低功耗的ARM嵌入式微處理器STM32F103C8T6（以下簡(jiǎn)稱STM32）作為控制器，通過(guò)CAN（控制器局域網(wǎng)）總線接口與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信,，充分利用CAN總線突出的可靠性,、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性以及總線利用率高等特點(diǎn)[2],。磁旋轉(zhuǎn)編碼器AS5045精度高,，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息；A3995驅(qū)動(dòng)電路體積小,，單個(gè)芯片可控制2個(gè)電機(jī),。上述元件體積都較小，適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)處和機(jī)器人內(nèi)部,。小型機(jī)器人關(guān)節(jié)控制電路系統(tǒng)如圖1所示,。

　　1.1 微處理器控制電路

　　圖1中STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，負(fù)責(zé)采集磁編碼器實(shí)時(shí)位置信息,、接收上位機(jī)通過(guò)CAN總線傳送的控制命令,、進(jìn)行控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制計(jì)算、反饋關(guān)節(jié)角度信息給上位機(jī),。

　　1.2 驅(qū)動(dòng)模塊電路

　　采用雙相DMOS全橋驅(qū)動(dòng)電路芯片A3995驅(qū)動(dòng)電路,。驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路如圖2所示。雙相DMOS全橋驅(qū)動(dòng)能夠以高達(dá)2.4 A的電流驅(qū)動(dòng)2個(gè)8~36 V直流電動(dòng)機(jī),。

　　1.2.1 驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)

　　ARM微處理器STM32的3個(gè)I/O引腳作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A3995的PHASE,、ENABLE和MODE控制輸入信號(hào)，進(jìn)而控制電機(jī)的動(dòng)作,。其中PHASE的高低電平?jīng)Q定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,，MODE選擇電流衰減快慢模式。STM32定時(shí)器輸出PWM信號(hào)接A3995的ENABLE,，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,。

　　1.2.2 電流檢測(cè)保護(hù)電路與軟件設(shè)置

　　A3995芯片具有電流檢測(cè)功能，通過(guò)外部編程設(shè)置內(nèi)部保護(hù)電路的電壓比較器門檻,。A3995中的電流檢測(cè)保護(hù)電路如圖3所示,。

　　圖3中SENSE1為A3995芯片電流保護(hù)電路的電壓比較器正輸入端，接在H橋（控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）的電流輸出端口處,，經(jīng)一個(gè)0.1 Ω電阻接地，用來(lái)檢測(cè)流過(guò)負(fù)載（即直流電機(jī)）的電流大小,。VREF1作為電壓比較器的負(fù)輸入端,，A3995內(nèi)部電路根據(jù)該端口輸入PWM信號(hào)的占空比作為比較參考電壓,，通過(guò)軟件設(shè)置STM32的定時(shí)器使PB1輸出PWM信號(hào)，降壓后相連到VREF1,。

　　對(duì)于電壓比較器而言,，其正極電平V+與負(fù)極電平V-分別為：

　　V-=Im×R1

　　V+=VREF1÷3

　　其中，Im為流過(guò)電機(jī)電流,，R1為采樣電阻,。對(duì)VREF1進(jìn)行÷3降壓處理是A3995內(nèi)部的功能。當(dāng)V-<V+時(shí),，即流過(guò)電機(jī)的電流在安全范圍內(nèi)時(shí),，比較器輸出高電平，直流電機(jī)工作正常,。而當(dāng)V->V+時(shí),，即電機(jī)流過(guò)的電流Im較大時(shí)，比較器輸出低電平,，復(fù)位PWM鎖存器,，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制邏輯輸出端口被鎖住，無(wú)法輸出信號(hào)給H橋,，從而關(guān)閉了對(duì)電機(jī)的輸出,，保護(hù)了電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路。保護(hù)電路原理圖如圖4所示,。

　　STM32定時(shí)器通過(guò)端口PB0輸出高電平為3.3 V的PWM信號(hào),，平均輸出電壓為Vout=3.3×duty（占空比）。

　　當(dāng)V+=V-時(shí),，流經(jīng)電機(jī)M的電流達(dá)到正常值的最大值Imax,。此時(shí)：

　　其中，R1=0.1 Ω,，R2=10 kΩ,，R3=10 kΩ，帶入上式可得Imax與占空比duty之間的關(guān)系式為：

　　duty（%）=18.18×Imax

　　當(dāng)Imax限制在1 A時(shí),，占空比為18.18%,，在整個(gè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制中，可以針對(duì)不同電機(jī)的Imax限制來(lái)設(shè)置占空比,，從而保護(hù)電路,。

　　1.3 CAN通信模塊電路的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的信號(hào)傳輸采用CAN總線通信模式，CAN總線最多可接110個(gè)節(jié)點(diǎn),，可以進(jìn)行區(qū)域組網(wǎng),，用于小型機(jī)器人的多關(guān)節(jié)聯(lián)機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作。機(jī)器人關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)與主控機(jī)進(jìn)行通信，充分利用CAN報(bào)文幀ID識(shí)別碼的特性,，將發(fā)送幀的識(shí)別碼,、本節(jié)點(diǎn)的編碼和本節(jié)點(diǎn)接收濾波器的識(shí)別碼相統(tǒng)一[3]。

　　STM32內(nèi)部本身集成了一路增強(qiáng)型CAN控制器,，支持CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)接口,，使用時(shí)只需連接CAN的收發(fā)器即可。具體電路圖如圖5所示,。

　　SN65HVD230是3.3 V CAN收發(fā)器,，信號(hào)傳輸速率最高可達(dá)1 Mb/s。STM32中CAN控制器的輸出引腳CAN_TX與CAN收發(fā)器SN65HVD230的數(shù)據(jù)輸入端D連接,，可將此CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)中,，CAN控制器的接收引腳CAN_RX與SN65HVD230的數(shù)據(jù)輸出端R連接，用于此CAN節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù),。

　　SN65HVD230具有高速,、斜率和等待3種工作模式[4]，其工作模式通過(guò)控制Rs引腳的電平實(shí)現(xiàn),。當(dāng)Rs通過(guò)0 Ω的電阻接邏輯低電平時(shí),，收發(fā)器工作在高速模式，通信速率達(dá)到最高,。

　　1.4 磁旋轉(zhuǎn)編碼器信息采集模塊

　　機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)傳感器必須尺寸很小,，靈敏度高，靈活性強(qiáng),。每個(gè)關(guān)節(jié)選取無(wú)接觸式的磁旋轉(zhuǎn)編碼器AS5045來(lái)采集位置信息,。內(nèi)部集成霍爾元件，可以精確地測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的360°范圍內(nèi)的角度,，分辨率達(dá)到0.087 9°,，即每圈可以分成4 096個(gè)位置[5]。它的優(yōu)點(diǎn)有：（1）芯片內(nèi)部集成一個(gè)完整的片上系統(tǒng),；（2）非接觸式的位置傳感器可以應(yīng)用在比較惡劣的環(huán)境下,；（3）無(wú)需校準(zhǔn)；（4）體積小,，便于安裝,。

　　AS5045電路板固定在關(guān)節(jié)處，為了測(cè)量關(guān)節(jié)的角度,，要在關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)圓形徑向磁化雙極磁鐵,，必須對(duì)準(zhǔn)AS5045芯片的中間[5]。根據(jù)關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu),，磁鐵可以安裝在芯片的上方或下方,。由于是無(wú)接觸式的,，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)影響關(guān)節(jié)。其工作原理是：關(guān)節(jié)在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn),，AS5045內(nèi)部的霍爾元件檢測(cè)到磁性的大小,，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的DSP計(jì)算，可以輸出角度信息,。

　　AS5045提供PWM輸出和絕對(duì)值串行輸出，本系統(tǒng)中采用的是絕對(duì)值串行輸出,。AS5045檢測(cè)磁場(chǎng)的方向并計(jì)算出12 bit的二進(jìn)制編碼,，此編碼通過(guò)同步串行接口（SSI）進(jìn)行訪問(wèn)，STM32產(chǎn)生磁旋轉(zhuǎn)編碼器AS5045的時(shí)鐘CLK和片選CSn信號(hào),，讀取其輸出DO信號(hào),。硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

　　STM32單片機(jī)產(chǎn)生的CSn和CLK信號(hào)時(shí)序,，以及AS5045輸出信號(hào)DO如圖7所示,。AS5045的工作過(guò)程如下：初始時(shí)STM32輸出引腳拉高CSn和CLK信號(hào)，當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)DO時(shí),，將CSn變?yōu)檫壿嫷碗娖?，?shù)據(jù)輸出（DO）將從高阻（三態(tài)）狀態(tài)變?yōu)檫壿嫺唠娖健＝?jīng)過(guò)最短時(shí)間tclk后,，數(shù)據(jù)在CLK的第1個(gè)下降沿鎖存至輸出移位寄存器內(nèi),。每個(gè)后續(xù)的CLK上升沿將移出1 bit數(shù)據(jù)。STM32采集到的串行字包含18 bit數(shù)據(jù),，前12 bit D[11：0]是角度信息,，后6 bit D[17：12]包含系統(tǒng)信息（奇偶校驗(yàn)、線性誤差,、磁鐵對(duì)齊等）,。數(shù)據(jù)全部讀完之后，設(shè)置CSn為高電平,，持續(xù)時(shí)間為tCSn恢復(fù)初始的狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)測(cè)量,。

　　通過(guò)STM32的IO引腳接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)Do轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的角度值A(chǔ)，轉(zhuǎn)換公式如下：

　　A=（Do>>6）×360÷4096

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)關(guān)節(jié)控制電路系統(tǒng)是以STM32為控制核心,，采用keil作為編譯工具,，使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)代碼，便于移植,。

　　主要程序包括系統(tǒng)初始化,、啟動(dòng)模塊、AS5045霍爾數(shù)據(jù)采集模塊,、PID速度控制模塊,、CAN通信模塊,。程序流程圖如圖8所示。

　　系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化之后,，上位機(jī)通過(guò)CAN總線發(fā)送控制命令給STM32單片機(jī),，霍爾傳感器會(huì)檢測(cè)關(guān)節(jié)所在的位置，通過(guò)處理之后發(fā)送出關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)位置信息給STM32單片機(jī),。根據(jù)目標(biāo)值和實(shí)時(shí)值,，利用PID調(diào)節(jié)kP、kI,、kD參數(shù)調(diào)節(jié)占空比,，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法[6]控制關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,，進(jìn)而控制關(guān)節(jié)在規(guī)定時(shí)刻到達(dá)特定角度,。計(jì)算的輸入量為關(guān)節(jié)角度偏差值，計(jì)算公式為：

　　其中,，為k時(shí)刻角速度輸出,。

3 實(shí)驗(yàn)研究

　　小型機(jī)器人關(guān)節(jié)控制電路系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示，共有兩塊電路板,，分別是磁編碼器電路板和關(guān)節(jié)控制電路板,。關(guān)節(jié)控制電路板的尺寸為44 mm×27 mm，具有體積小,、質(zhì)量輕的特點(diǎn),，有利于將電路板安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處以及機(jī)器人內(nèi)部。整個(gè)系統(tǒng)的功耗為227.37 mW,，其中關(guān)節(jié)控制電路板的功耗為175.5 6mW,，磁編碼器電路板功耗為54.45 mW。

　　將關(guān)節(jié)控制電路系統(tǒng)安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處進(jìn)行調(diào)試,，該關(guān)節(jié)角度范圍過(guò)零點(diǎn),，起止位置分別是300°和178°，即關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)采集到的角度為從300°經(jīng)過(guò)360°（0°）到178°,。通過(guò)串口與PC相連,，在1 s時(shí)間內(nèi)采樣擬合的曲線如圖10所示，給定的角度值與反饋的角度值誤差控制在1°之內(nèi),。

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了一個(gè)基于STM32處理器設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng),。對(duì)微處理器外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,、通信電路以及信號(hào)采集電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì),。關(guān)節(jié)控制電路板的面積為11.88 cm2。通過(guò)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)控制的測(cè)試,，關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)動(dòng)的誤差控制在1°以內(nèi),。本系統(tǒng)軟硬件的功能和性能符合小型機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)控制電路系統(tǒng)的實(shí)用要求,。

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