基于DSP和CAN总线的助力行走机器人控制系统研究

论文摘要

助力行走机器人技术研究是比较崭新的一个研究领域,近年来越来越引起人们的广泛关注。它是一种可以让人穿戴的机械装置,能够增强人的力量、速度等等,是一种典型的人机一体化系统。本文将对增强人体下肢能力的助力行走机器人的关节伺服驱动系统进行研究和设计。针对助力行走机器人的特点和较高控制要求,采用高性能的数字信号处理器(DSP)设计全数字伺服控制系统进行电机的控制,进而控制下肢关节的动作。在已设计出的系统的机械结构和总体控制框架的基础上,本文设计了基于TMS320F2812 DSP的助力行走机器人的下肢关节伺服系统的控制方案,重点设计了一个具有位置环、速度环和电流环的三闭环PID控制系统。在建立直流电机数学模型的基础上利用Matlab中的Simulink仿真工具对整个控制系统进行了仿真,通过对三闭环PID控制参数进行整定,得到了最优的控制效果,结果说明这种控制策略是合理可行的。本文设计了系统的软件模块,并在DSP的编译环境CCS下,用C语言和汇编语言实现硬件资源的配置并编译了控制算法。随后通过TMS320F2812 DSP自带的eCAN控制器的编程,实现其CAN信号的发送和接收,并相对整个CAN总线的网络控制,编制了上位PC机与下位电机节点之间的通信协议,为进一步实现基于CAN总线的整个助力行走机器人各部分的协调控制打下了基础。经过对整个控制系统的软硬件调试,得到了系统的速度、位置的运行情况,基本达到了预期的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 助力行走机器人的国内外研究状况
• 1.3 本课题研究意义
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 基于DSP的关节驱动控制系统
• 2.1 关节驱动系统控制方案
• 2.2 DSP TMS320F2812特点分析
• 2.2.1 事件管理器模块
• 2.2.2 DSP性能比较
• 2.3 直流电机驱动
• 2.3.1 PWM原理及产生电路
• 2.3.2 H桥功率驱动
• 2.3.3 光电隔离电路
• 2.4 本章小结
• 第3章 关节驱动控制器的设计与仿真
• 3.1 控制策略方案
• 3.2 电机数学模型
• 3.3 PID控制器
• 3.4 位置、速度和电流的检测与反馈
• 3.4.1 位置和速度检测
• 3.4.2 电流检测
• 3.5 三闭环PID控制器的设计与仿真
• 3.5.1 控制器的设计
• 3.5.2 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制器软件设计与实现
• 4.1 软件开发环境
• 4.2 采样周期的选择
• 4.3 定点DSP的数值表示
• 4.4 控制系统软件模块
• 4.4.1 主程序的设计
• 4.4.2 中断服务子程序的设计
• 4.5 FLASH的烧写
• 4.6 本章小结
• 第5章 CAN总线通信系统设计
• 5.1 CAN技术
• 5.2 TMS320F2812 DSP的CAN模块
• 5.3 CAN控制器的软硬件实现
• 5.3.1 硬件系统分析
• 5.3.2 CAN通信软件编程
• 5.4 系统通信协议的实施
• 5.4.1 标识符分配
• 5.4.2 电机节点与上位机之间的数据帧分配
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统调试
• 6.1 硬件装置
• 6.2 软件调试
• 6.2.1 电流环调试
• 6.2.2 速度环和位置环调试
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 电机控制中断服务子程序
• 附录B 电流采样滤波程序
• 附录C 程序烧写所用到的.CMD文件