假肢的伺服控制系统.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）假肢膝关节测试装置的伺服控制系统设计与实现 学 生：段汶江学 号：20063144指导教师：王代华专 业：测控技术与仪器重庆大学光电工程学院二O一O年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityServo control systems design and implementation of Above-Knee Prosthetic Knee testing deviceUndergraduate: Wenjiang DuanSupervisor: Prof. Daihua WangMajor: Measure & Control technology and instrumentCollege of Optoelectronic EngineeringChongqing UniversityJune 2010摘 要随着科技的发展，智能假肢逐渐成为假肢业研究的重点。其主要特点是能根据外界环境变化自动调整步幅、步速等参数。但是，它不能随意地、主动地随着步频、膝关节角度的变化而变化。本课题以多轴电动膝关节为研究对象。多轴膝关节的转动中心可以随膝关节弯曲角度的变化而变化,瞬时转动中心轨迹为一曲线，可以更加准确地模拟正常人的膝关节瞬心线，因此多轴膝关节使截肢者行走更安全、更自然、更舒适。目前膝上假肢采用四连杆机构来模拟膝关节转动中心轨迹,并以DSP芯片TMS320F2812处理器为核心设计了智能假肢膝关节控制器，用交流伺服系统作为膝关节的驱动器。同时，在大腿角度信号获取上采用了用视频采集系统摄取大腿模拟器的大腿摆动情况，MATLAB图像处理技术进行数据处理等方法。本文的主要研究工作和成果包括：1、建立在基于MATLAB与DSP条件下实现交流伺服电机的伺服控制的程序开发，结果表明，电机正常转动并带动大腿模拟器正常运动。2、采用视频采集系统摄取大腿模拟器的大腿摆动情况，利用图像处理技术进行数据处理，得到了大腿模拟器的实际摆动曲线与理想曲线基本重合。关键词：DSP, 大腿模拟器，四连杆机构，MATLABABSTRACTWith the development of technology，the intelligent prosthesis has became the reaserch emphases of prosthesis. Its main feature is that it can tune the parameters automatically according to the circumstance.But it can not change according to the frequency of step and angle of the knee.This study treat the Multi-axis electric knee as the subject. Because the instant center of rotation of polycentric above-knee prosthetic knee mechanisms can vary with the rotation of knee joints and the trajectory of the instant center of rotation is a curve, the polycentric above-knee prosthetic mechanisms can simulate the normal movement more accurately. In general, polycentric above-knee prosthetic knee mechanisms can make amputees walk more safely, more naturally, and more comfortably. Currently, knee prosthesis Used to simulate the four-bar linkage knee joint rotation center track,and treat DSP TMS320F2812 processor as the core design of intelligent prosthetic knee joint controller, AC servo drive system as the knee drive. Meanwhile, used a video capture system in the legs swing simulator situation and MATLAB image processing technology for data processing and so on methods.The major research works completed in this dissertation include:1.Achieve servo control program development of AC servo motor for Basing on MATLAB and DSP. The results show that,the motor had a normal rotation and driven normal motion simulator.2. For using a video capture system in the legs swing simulator situation and mage processing technology for data processing . There been actual swing curve coincide with the ideal curve of the actual simulator thigh.Keywords: DSP, actual simulator thigh, four-bar linkage,MATLAB目录中文摘要英文摘要1 绪论 1.1 概述 1.2 假肢国内外发展概况 1.3 伺服系统技术发展综述 1.3.1 伺服控制系统 1.3.2 伺服电机控制性能优越 1.4 本课题研究的目的内容及结构安排2 大腿模拟器及建模 2.1 人体下肢运动分析 2.2 运动方程拟合 2.3 实验平台建模2.4 本章小结3 假肢膝关节控制系统 3.1 DSP芯片概述 3.1.1 TMS320F2812 DSP的特点 3.1.2 内核结构及组成 3.2 电机选型 3.2.1 电机选型 3.2.2 AC伺服电机驱动 3.3 本章小结4 伺服控制系统的软件设计 4.1 交流伺服控制系统的程序开发 4.1.1 I/O口的初始化 4.1.2 伺服控制程序的开发及实验结果4.2大腿角度信号提取的程序开发及实验结果 4.3 本章小结5 结论致 谢参考文献1 绪论1.1 概述古往今来，成百上千万人因为战争、疾病、工伤、交通事故及意外伤害而被截肢。特别是近年来，随着工业、交通事业的迅速发展，这一数字正以惊人的速度增加。根据全国残疾人抽样调查结果显示，目前我国现有肢体残疾人约6000 万，其中下肢残疾者达到600 万。一项研究表明仅美国每年就有近11 万人失去下肢，对于他们来说由于失去了人类最基本的行走功能，拥有一具控制自如的假肢是一件梦寐以求的事情，这种假肢将成为人体的一部分而不仅仅是身体的附属品。随着经济的发展我国人民生活水平的提高，残疾人对于生活质量的要求十分迫切。人工智能、计算机、信息、控制、康复医学工程等技术的发展，使肢体“再造”的梦想将成为现实。同时，国外智能下肢假肢产品的价格由于种种原因，与国内残疾人整体的可接受范围相距甚远，完全依靠国外产品满足国内残疾人的需要,在近期希望渺茫。将当代先进的智能控制技术、计算机技术、微电子技术、机械设计与制造技术、新材料技术与生物医学工程和康复医学工程技术融合在一起，研究真正意义上的智能下肢假肢，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走，这对于帮助他们重新回归社会主流、象正常人一样生活、学习和工作，对减轻社会负担，同时对填补我国在此研究领域的空白、对促进我国康复医学工程技术的发展无疑都具有极其重要的意义。1.2 假肢国内外发展概况国内从上一世纪八十年代初开始在假肢的研究方面也取得了很好的成绩。清华大学精密仪器与机械学系的金德闻、张培玉、张济川、王人成、黄昌华等学者、教授在这方面做了很多开创性的工作1-9。他们采用最优化方法设计了一种六连杆假肢膝关节，该膝关节在支撑期保持稳定性的同时，在摆动期内膝关节和踩关节的运动轨迹，以及大腿和小腿之间的角度变化关系相对于正常人都具有很好的逼近效果，能有效改善截肢者的步态。而且清华大学在利用大腿肌肉的肌电信号识别不同路况(包括上，下坡道，上，下楼梯)方面取得了成功，从而为发展具有路况识别功能的智能假肢打下基础。目前与欧美、日本和台湾等发达国家和地区相比存在相当大的差距，从事这一领域研究和开发的大学和科研机构相对较少，我国假肢生产行业相关产业同欧美和日本相比整体上大约落后20年，各大假肢生产厂家目前的主要产品仍然停留在诸如游动式定摩擦膝关节、带手动锁定装置的膝关节、游动式复合制动膝关节，单轴式、多轴式及固定式假脚等，还没有企业能研制生产具有独立知识产权的智能假肢产品。从事智能型假肢的研究工作，其目的和意义有两个:第一是要将智能控制技术、微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造、生物医学工程和康复医学工程等技术结合在一起，研制并开发出智能型机电假肢，使截肢者能以极其自然的步态行走，对于残疾人回归社会生活及改善生活质量具有决定作用，有着重大的社会意义。第二是希望将所研究成果尽快转化为商品，以缩短我国假肢生产企业与国外先进水平差距，帮助该行业形成较大的规模经济，推动我国假肢生产行业的发展。90年代初至今这一时期国外假肢研究的最大进展是英国和日本，他们率先将微电子技术、计算机控制技术与康复医学工程技术融合在一起，相继研制出了智能型的假肢并.已大量投入临床应用8。九十年代初以前研制的假肢存在这样一个问题:假肢的步行速度不能自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化，不能满足截肢者希望在较大步速范围内变速行走以提高步行灵活性的需要。在这种情况下，截肢者只能以与假肢固定摆速相匹配的步速行走，过快或过慢都将导致健康腿与假肢步行的对称性受到严重破坏，使截肢者更容易感觉疲劳。为解决这一问题，以前主要通过用手指调整安装在气缸或油缸上特定部位的调整螺钉，改变缸内节流阀的开度，使之与期望的步速相对应。但这种方法由于每次改变步速都需要用手指调整螺钉，结果使步行这一本来是无意识的运动变成了有意识地进行改变的运动 为了彻底解决上述问题，1986年，日本的中川昭夫首次构想出基于微处理器的气动式摆动相控制膝关节，并在1989年向全世界公开了该项技术。1990年，英国布莱切福特公司获得公司获得了这一技术许可，由其资深工程师Saced Zahedi研制出了世界上第一个智能假肢IP(Intelligent Prosthesis),该公司在1993年将IP投放市场。1995年Zahedi又在IP的基础上研制出性能更完善的智能假肢IP+(Intelligent Prosthesis Plus)。此外，日本的Nabco Ltd.公司也在1994年研制出结构类似于IP+的智能假肢NI-C111 (图1.1)。目前国际上已开发出的商业智能膝关节假肢产品有Otto Bock的C-Leg1、英国布莱切福特公司研制的第二代自适应仿生人工腿ADAPTIVE2和第三代全智能假肢Smart IP (Smart Intelligent Prosthesis)和Ossur公司的Smart Magetix Knee等(图1.2)，其中Ossur公司的Smart Magetix Knee(图1.3)的膝关节力矩控制采用的就是磁流变阻尼器。这三种智能假肢有一些共同特点:第一，膝关节都是单轴型;第二，腿直立期都采用负荷制动式控制方法;第三，腿摆动时都采用气压控制方式;第四，膝关节的弯曲和伸展速度基本上都能跟随截肢者步行速度的变化而变化，较好地解决了以前研制的假肢所面临的这一难题，这是智能假肢所具有的最优秀的特点。智能假肢与以前研制的假肢最大的不同之处在于其膝关节弯曲和伸展的控制上。在智能假肢的膝关节内装有步速传感器、尾部带有小型电机的差动式单级 (a) (b) 图1.1 (a)英国布莱切福特公司研制的IP+，(b)日本Nabco Ltd.公司研制的NI-C111(a) (b) (c)图1.2 (a)英国布莱切福特公司研制的自适应仿生人工腿ADAPTIVE2，(b)英国布莱切福特公司研制的自适应仿生人工腿Smart IP，(c) Otto Bock公司研制的C-Leg空压气缸、微处理器以及电池等。步速传感器能实时检测出步行速度(以步行周期的形式表示)。空压气缸尾部的电机可以控制气缸内一个针阀(节流阀)的开度，通过改变阀门开度可以调节膝关节弯曲和伸展的阻尼，从而达到改变膝关节弯曲和伸展速度的目的。IP+和NI-C11126两种智能假肢都可以为截肢者提供五种速度选择，并能自动纠正步态的偏差，减少行走的不适。 智能假肢当其电池电压过低或微处理器出现故障时，电机将停止工作，但此时阀门的开度仍被维持，所以截肢者仍能按一定速度行走。针阀只在步速变化时才会动作。以固定速度行走时(允许有小幅波动)，电机不会消耗电能。IP+和NI-C111都是使用小型铿电池供电，电池寿命会因使用者的步行量、步速变化的频率不同有所差异，一般为一年左右。 智能腿是目前唯一能够覆盖从慢到非常快的较宽步速范围的假肢，某些截肢者使用智能腿后能够实现120米/分钟左右这样一种接近跑步的速度。 需要着重指出的是，英国和日本研制的IP, IP+和NI一C111并非真正意义上的“智能”假肢。它们之所以被业界称之为智能假肢，是因为在其设计中首次引入了微处理器芯片以及步速传感器，使其与以前的纯机械式假肢相比具有了自动调整步速的能力。但是，其调整步速用的控制器采用的是开环结构，无法确保位置控制量(气缸内针阀开度)的实际值与期望值准确相等，控制精度不高，并且控制器中也未采用任何智能算法。所以，如果把这些假肢称作为机电假肢更为合适。另外据报道，近几年英国布莱切福特公司以及德国奥托搏克公司又研制出智能仿生假肢C-Lego17,18,24智能仿生假肢是第三代，也是当今世界最新型的智能假肢，它主要有以下特点:第一是它可即时探测到患者以不同速度行走、上下坡、上下楼梯、绊脚要摔跤等不同的行走方式和行走状态，并据此迅速做出反应，给假肢以恰当的控制和支持，让其智能跟随模仿健侧肢运动，使患者可象正常人一样行走与站立;第二是新型的力传感器与速度传感器组合，力传感器探测支撑期膝关节受力情况，速度传感器感应摆动速度，二者配合使用，微处理器可以瞬间精确判断患者所处的不同的行走状态和行走方式，同时，微处理器将所得信号进行加工处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统;第三是独创的液压缸和汽缸组合装置，既发挥了液压缸控制支撑期安全可靠、力量强劲的特长，又突出了汽缸支持摆动期反应迅速，轻便敏捷的优点。1.3 伺服系统技术发展综述近年来，伺服电机控制技术正朝着数字化、智能化方向发展。伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。1.3.1 伺服控制系统开环伺服系统不设置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单21。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型设备。半闭环伺服系统采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满足的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。1.3.2伺服电机控制性能优越步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。步进电机从静止加速到额定转速需200400ms。交流伺服系统的速度响应较快，有的交流伺服电机，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，其脉冲当量为9.89秒，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内，都能输出额定转矩。1.4 本课题研究的目的内容及结构安排随着经济的发展我国人民生活水平的提高，残疾人对于生活质量的要求十分迫切。人工智能、计算机、信息、控制、康复医学工程等技术的发展，使肢体“再造”的梦想将成为现实。同事，国外智能下肢产品的价格由于种种原因，与国内残疾人整体的可接受范围相距甚远，完全依靠国外产品满足国内残疾人的需要，在近期希望渺茫。将当代先进的智能控制技术、计算机技术、微电子技术、机械设计与制造技术融合在一起，研究真正意义上的智能下肢假肢，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走，这对帮助他们重新回归主流社会、像正常人一样生活、学习和工作，对减轻社会负担，同时填补我国在此研究领域的空白、对促进我国康复医学工程技术的发展无疑都具有重要意义。本论文研究的结构安排：第一章“绪论”介绍了本课题的研究意义及伺服系统和假肢的国内外研究状况和发展趋势，并阐述了本课题的主要内容。第二章“大腿模拟器及建模”介绍了人体下肢的运动，并对下肢的运动进行拟合，在此基础上搭建了实验平台，这个章节里有实验平台的直观图，可以很容易了解平台的大体构造。第三章“价值膝关节控制系统”主要介绍了本实验需要用到的DSP芯片TMS320F2812的特点、构成和电机选型、AC伺服电机驱动。第四章“伺服控制系统的软件设计”介绍了本设计中最主要的两个程序开发及作用意义。第五章“结论”就是对全文工作结论的扼要概括。2 大腿模拟器及建模设计的膝关节的主要目的是改善膝关节假肢的摆动曲线。测试膝关节的摆动曲线，需要测试评定机构。根据人体下肢的摆动情况，可以设计模拟大腿运动的大腿模拟器。下面首先分析一下人体下肢的运动，然后根据其运动提出方案。2.1 人体下肢运动分析人体下肢运动分析主要集中在髋关节和大腿摆动两个方面。首先分析髋关节运动，由前文可知，人体分为三个运动平面：冠状面、矢状面、水平面。人体下肢分别在这三个平面内运动。在冠状面和水平面内（图2.1），两腿左右交替成支撑侧，人体随之左右晃动，髋关节运动呈正弦曲线型；在矢状面内（图2.2），伴随支撑侧的弯曲伸直，人体随之上下运动，髋关节运动也呈正弦曲线型。髋关节运动在这三个面内的运动实际上是不规则运动，但大体形状逼近正弦曲线，国内外研究机构在处理髋关节运动时，大都近似为正弦曲线。人体下肢运动不但包括髋关节的不规则运动而且还包括大腿的外展内收、自旋、弯曲伸展等运动，所以必须简化运动，我们把在冠状面和水平面内的运动忽略，只考虑矢状面内的运动。在矢状面内，人体下肢运动如图2.3所示。简化后的下肢运动在矢状面内有两个运动：髋关节的上下运动和大腿的前后摆动。下面确定这两个运动的具体运动轨迹，对其运动曲线进行拟合。图2.1 髋关节在水平面的运动图2.2 髋关节在矢状面内的运动图2.3 人体下肢在矢状面内运动2.2 运动方程拟合图2.4为髋关节运动曲线，假设上下运动幅度50 mm，周期为1 s,其曲线近似拟合为正弦曲线，拟合方程为（如图2.5所示） (2.1)大腿摆动曲线（图2.6）比较复杂，需要取点后数据拟合。把横轴总长度设为100，纵轴取角度数值，得点(0,30.7368)、(6.3990,29.1850)、(13.3455,25.1440)、(18.8300,19.3070)、(25.0457,12.1230)、(31.2614,6.0615)、(37.6600,0)、(44.0585,-4.041)、(50.4570,-8.3065)、(56.6728,-11.4495)、(64.3510,-11.0005)、(69.1042,-5.1635)、(75.3199,5.3880)、(81.5356,14.3680)、(87.7514,23.3680)、(93.6015,29.1850)、(100,32.5525)。根据取点，采用General model Fourier3函数拟合（曲线如图2.7所示），得 (2.2)其中Coefficients (with 95% confidence bounds): = 13.45 (9.88, 17.02) = 22.06 (20.98, 23.15) = -1.76 (-15.43, 11.91) = -3.089 (-9.374, 3.196) = -1.976 (-7.185, 3.233) = -0.9901 (-3.736, 1.756) = 1.55 (-1.377, 4.478) = 0.05838 (0.04696, 0.0698)Goodness of fit: SSE: 7.232 R-square: 0.9985 Adjusted R-square: 0.9975 RMSE: 0.8108图2.4 髋关节运动曲线图2.5 髋关节拟合曲线图2.6 大腿摆动曲线图2.7 大腿摆动角度拟合曲线2.3 实验平台的建模我们开发的大腿模拟器实物如图2.8所示。根据图2.9所示，大腿模拟器由两套丝杆滑台组成，垂直放置的丝杆副带动整个腿部上下运动，模拟人在行走过程中髋关节的上下运动。水平放置的丝杆副带动大腿部件前后摆动，使其模拟人在行走过程中大腿的摆动角度曲线。在忽略了人前进时的水平速度和加速度的情况下，大腿模拟器理论上完全可以模拟在矢状面内人的腿部动作。其中由于本实验室致力于磁流变膝关节的研究，我们的研究方向偏重于对腿摆动期膝关节角度的研究，在站立期我们不会投入太多精力，所以站立期时，通过水平放置的丝杆副的往回拉动，使整个腿部由下面的跑步机传送回来。由于跑步机是通过下面的两根铝型材固定在整个架子上的，所以我们可以通过调节这两根铝型材的倾角使跑步机倾斜，由此模拟不同的坡道。图2.8 大腿模拟器实物图(a)(b)图2.9 大腿模拟器：(a)原理图，(b)结构图水平放置的丝杆模拟髋关节的上下运动（图2.10），其中L为250 mm,由公式(2.1)得运动曲线为 (2.3)由，其中为水平放置丝杆的导程，为大腿摆动角度，为电机转动角度（曲线如图3.11所示），得 (2.4) (2.5)假设=20 mm，得 (2.6)图2.10 大腿模拟器工作原理图图2.11 水平放置电机转动角度曲线2.4 本章小结本章主要分析了人体下肢的运动，并对运动方程做拟合，在此基础上得到了数学模型。同时对实验平台建模及假肢的运动有了初步了解，这对后面的伺服控制打下了基础。3 假肢膝关节控制系统及电机选型对于智能下肢假肢，首要解决的问题是如何使物理控制信号转化为智能下肢假肢的具体动作，使假肢穿戴者的行走更接近与正常人的步态。在本系统中，使用交流电机位置伺服系统达到假肢跟随给定位置控制信号的目的。本文对交流电动机采用电流、速度、位置三环进行控制。控制器采用TMS320F2812DSP芯片。本章将介绍交流电机的模块化设计中最主要的芯片和电机及电机驱动的选择。3.1 DSP芯片概述数字信号处理是模拟电子时代向数字电子时代前进的理论基础，而数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor）)是随着数字信号处理而专门设计的可编程处理器，是现代电子技术，计算机技术和信号处理技术相结和的产物。伴随着新戏处理技术的飞速发展，DSP在电子信息，通信，软件无线电，自动控制，仪器仪表，信息家电等高科技领域获得了越来越广泛的应用。DSP不仅快速实现了各种数字信号处理算法，而且拓宽了数字信号处理的应用范围。DSP的功能将越来越强大，应用范围也将越来越广泛。1987年世界上第一块DSP芯片52811在美国微系统(Microsystem)公司的AMI子公司问世，1979年第一块商用可编程的DSP芯片2920在美国Intel公司诞生，标志着DSP芯片早期雏形的形成。虽然这两种芯片内部不具备现代DSP芯片的硬件结构，但为数字信号处理的发展开辟了道路。促使DSP芯片向性能更高的方向发展。1980年日本的NEC公司推出第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片UPD7720，1982年日本的Hitachi公司推出第一个采用CMOS工艺生产的浮点DSP芯片。紧接着，1983年日本的Fujitsu公司推出浮点DSP芯片MB8764，其指令周期仅为120ns，内部具有双总线结构，从而使处理数据的吞吐量和前期的产品相比有了一个很大的提高。但具有更高性能的DSP芯片是美国AT&T公司于1984年推出的浮点DSP芯片DSP32.此外，1982年TI公司成功推出了第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011，TMS32CIO/C14/C15/C16/C17等。之后，该公司又相继推出第二代DSP芯片TMS32O2O、TMS32OC25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C3O/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C44，第五代DSP芯片 TMS32CSO/C51/C52/C53以及集多个DSP核于一体的高性能DSP芯片 TMS32C8O/C82等。自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用也越来越广泛了。从运算速度来看，MAC(一次乘法和一次加法)的开销时间已经从20世纪80年代初的400ns(如TMS32O10)降低到40ns(如TMS32040)，处理能力提高了10多倍。DSP内部关键的乘法器部件从1980年占模区的40个左右下降到5个以下，片内RAM的数量增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用的是4八的NMOS工艺，而现在则普遍采用微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量也从1980年的最多64个增加到现在的300个以上，引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加。此外，随着DSP芯片的发展，DSP系统的成本、体积、重量、功耗都有很大程度的下降。现在，世界上的DSP芯片有300多种，其中定点DSP有200多种，浮点DSP有100多种。迄今为止，生产DSP的公司有80多家，主要厂商有TI公司，AI)公司，Lucent公司，Motorola公司和 LSILogic公司。TI公司作为DSP生产商的代表，品种最多，定点和浮点的DSP都大约占60%的市场份额;AD公司的定点和浮点DSP大约占16%和13%的市场份额;Motorola公司的定点和浮点DSP大约占7%和14%的市场份额;Lucent贝主要生产定点DSP大约占5%的市场分额。TI公司的TMS320系列主要以DSP控制平台C2000，DSP有效性能平C5000,DSP高性能平台C6000以及DSOMAPDSP嵌入式平台这四个平台为发展基础。3.1.1 TMS320F2812DSP的特点图3.1 TMS320F2812芯片TMS32OF2812型DSP是美国TI公司最新研制的一款主要针对电机和运动控制及电力电子电路的芯片，它具有较高的性价比，灵活的指令系统和操作性能，高速的运算能力和改进的并行结构，并且符合IEEE1149的标准的JTAG标准测试接口。尤其是它的C28XTM内核CPU，其最高频率可达150MHz，并把最适合电机和运动控制应用的外围设备内嵌到其中，包括两个事件管理模块(EVA和EVB)、16信道12位A/D)转换器 (ADC)。其中事件管理模块可以产生PWM的输出，并具有一个正交编码脉冲(QEP)电路，它们分别用于获取功率器件的开关控制和捕获旋转电机的位置和速度信息。TMS32OF2812有极高的主频，每个指令周期仅有6.67ns，在具有复杂的算法、要求实时控制的场合能充分显示出其优越性。图3.2显示了TMS犯OF2812的体系架构。3.1.2 内核结构及组成内核主要包括中央处理单元(CPU)，测试单元和内存及外设接口单元三个部分，如图3.2所示。CPU单元完成数据/程序内存的访问地址的产生、译码和执行指令、算术、逻辑和移位元操作、控制CPU寄存器以及数据/程序内存之间的数据传输等操作。测试逻辑单元主要用来监测、控制DSP各个部分及其运行状态，以方便调试。而接口信号单元完全是内存、外设、时钟、CPU以及调试单元之间的信号传输信道。CUP单元主要包括以下几个部分:算术逻辑单元(AIU):32位ALU完成2的补码的算术运算和布尔运算。乘法器(Multiplier):完成3232位的2的补码的乘法运算，产生64位的乘法结果。移位器（Barrel Shifter）：完成数据的左移或右移操作，最大可以移16位。寻址运算单元(ARAU):主要完成数据存储器的寻址运算以及地址的产生。独立的内存空间(Registers):CPU内的寄存器包含独立的寄存器，并不映像到数据存储空间。寄存器主要包括系统控制内存、算术内存和数据指针。TMS320F2812数字信号处理器集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，处理器将所有外设都应设到了数据存储空间。每个外设备分配一段相应的存储空间。每个外设只要通过简单的访问内存中的寄存器就可以使用该设备。这些外设主要包括事件管理器模块、模数转换模块、高速同步和异步串行接口、CAN总线通信模块、看门狗、通用目的数字元I/O、PLL时钟模块、多信道缓冲串口、外部中断接口和内存接口。TMS320F2812内存包括片上内存和外部内存接口两部分。TMS320F2812所有图3.2 CPU内核功能框图图3.3 TMS320F2812 功能框图的内存空间采用统一寻址:低64KB地址内存相当于F24X/F240X处理器的数据存储空间，高64KB地址的内存相当于F24X/F240X处理器的程序存储空间。其片上内存包括:最多达128K16位的Flash内存、1K16位的OTP ROM、LO和Ll:两块4K16位的单周期访问RAM(SARAM)、HO:一块8K16位的单周期访问RAM(SARAM)、MO和Ml:两块116位的单周期访问RAM(SARAM)。本文用到了TMS320F2812DSP以下主要的几个功能模块，下面分别对这几个模块进行简单的介绍。PWM模块：每个事件管理器模块可同时产生多达8路的PWM波形输出。由3个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3对，以及由GP定时器比较产生的2个独立的PWM。在事件管理器模块中，每个比较单元和通用定时器 1(EVA)或3(EVB)，死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性的PWM输出。在每个事件管理器模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚，可以通过设置TxCON、COMCONA、ACTRA、DBTCONA等寄存器输出对称的或非对称的PWM波形，用于控制直流电机。CAP模块：每个事件管理器有3个捕获单元，对于EVA模块与之相关的捕获单元有3个引脚，分别为CAP1、CAP2、CAP3，可以选择通用定时器1或2作为它们的时基，而CAP1和CAP2一定要选择相同的时基。每个捕获单元都有一个专用的2级FIFO栈，当捕获输入引脚CAPx上检测到所指定的跳变时，所选的GP定时器的计数值被捕获并存入到这个2级深的FIFO栈中。当进行捕获时捕获栈中已有两个捕获到的计数值时可置位相应标志位，如果该中断未被屏蔽则可产生一个外设中断请求信号，从而触发中断。QEP模块：每个Ev模块都有一个正交编码脉冲(QEP)电路。该电路被使能后，可以在编码和计数引脚CAP哎EP1和C妙 2/QEP2对于EVA模块)或C妙 3/QEP3和CAP4/QEP（对于EVB模块)上输入正交编码脉冲，用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息。正交编码脉冲是两个频率变化且正交的脉冲。当它由电机轴上的光电编码器产生时，电机的旋转方向可通过检测两个脉冲序列中的哪一列先到达来确定，角位置和转速可由脉冲数和脉冲频率来决定。A/D模块：TMS320F2812DSP的ADC是一个带有内置采样/保持的12位数模转换模块。3.2 电机选型及驱动介绍3.2.1 电机选型电机的选型分为竖直方向和竖直方向两个方向的电机。在选取电机的时候，需要通过计算电机的转速、静态负载扭矩、负载转动惯量计算、计算负载动态扭矩、电机初步选型、校核等步骤。通过计算后通过选型条件选择出符合条件的电机。这里就不一一详尽的计算，实验选取的型号如表3.1。3.2.2 AC伺服电机驱动本实验室用的是的松下MINAS A4系列AC伺服电机驱动器。下图为MINAS A4系列驱动器。图.3.4 MINAS A4系列表3.1 选取的电机和丝杆电机竖直放置松下伺服电机MSMD-MBDDT2210水平放置松下伺服电机MSMD-MCDDT3520图3.4 位置控制模式控制信号接线图图3.4是驱动器内部的控制模式控制信号接线图。而我们在链接的时候需要用到的引脚有7、29、41、4447、36。3.3 本章小结本章主要介绍了在设计需要用到的芯片TMS320F2812 DSP和电机选型及驱动器，这也是我所做的课题所需要用到的软件与硬件。4 伺服控制的软件设计为了验证采用上一章选取的电机和丝杆搭建起的大腿模拟器的准确性，在本章中，采用开环控制方法对电机进行控制驱动。通过伺服系统软件的设计开发，主要是对DSP芯片TMS320F2812的开发使电机正常转动，从而带动模拟器的正常摆动。另外这次采用了视频采集系统摄录视频文件，通过在夜里录制绑定在大腿上的LED二极管的摆动情况得到二极管的摆动图像视频，用MATLAB对图像进行程序处理即可得到大腿模拟器的实际摆动曲线，这样就可以进行理想曲线和实际曲线的比较。4.1 交流伺服控制系统的程序开发4.1.1 I/O口的初始化初始化的程序如下：#include DSP28_Device.h#pragma DATA_SECTION(AdcRegs,AdcRegsFile);volatile struct ADC_REGS AdcRegs;#pragma DATA_SECTION(CpuTimer0Regs,CpuTimer0RegsFile);volatile struct CPUTIMER_REGS CpuTimer0Regs;#pragma DATA_SECTION(CpuTimer1Regs,CpuTimer1RegsFile);volatile struct CPUTIMER_REGS CpuTimer1Regs;#pragma DATA_SECTION(CpuTimer2Regs,CpuTimer2RegsFile);volatile struct CPUTIMER_REGS CpuTimer2Regs;#pragma DATA_SECTION(ECanaRegs,ECanaRegsFile);volatile struct ECAN_REGS ECanaRegs;#pragma DATA_SECTION(ECanaMboxes,ECanaMboxesFile);volatile struct ECAN_MBOXES ECanaMboxes;#pragma DATA_SECTION(EvaRegs,EvaRegsFile);volatile struct EVA_REGS EvaRegs;#pragma DATA_SECTION(EvbRegs,EvbRegsFile);volatile struct EVB_REGS EvbRegs;#pragma DATA_SECTION(GpioDataRegs,GpioDataRegsFile);volatile struct GPIO_DATA_REGS GpioDataRegs;#pragma DATA_SECTION(GpioMuxRegs,GpioMuxRegsFile);volatile struct GPIO_MUX_REGS GpioMuxRegs;#pragma DATA_SECTION(McbspaRegs,McbspaRegsFile);volatile struct MCBSP_REGS McbspaRegs;#pragma DATA_SECTION(PieCtrl,PieCtrlRegsFile);volatile struct PIE_CTRL_REGS PieCtrl;#pragma DATA_SECTION(PieVectTable,PieVectTable);struct PIE_VECT_TABLE PieVectTable;#pragma DATA_SECTION(SciaRegs,SciaRegsFile);volatile struct SCI_REGS SciaRegs;#pragma DATA_SECTION(ScibRegs,ScibRegsFile);volatile struct SCI_REGS ScibRegs;#pragma DATA_SECTION(SpiaRegs,SpiaRegsFile);volatile struct SPI_REGS SpiaRegs;#pragma DATA_SECTION(SysCtrlRegs,SysCtrlRegsFile);volatile struct SYS_CTRL_REGS SysCtrlRegs;#pragma DATA_SECTION(DevEmuRegs,DevEmuRegsFile);volatile struct DEV_EMU_REGS DevEmuRegs;#pragma DATA_SECTION(CsmRegs,CsmRegsFile);volatile struct CSM_REGS CsmRegs;#pragma DATA_SECTION(CsmPwl,CsmPwlFile);volatile struct CSM_PWL CsmPwl;#pragma DATA_SECTION(FlashRegs,FlashRegsFile);volatile struct FLASH_REGS FlashRegs;#pragma DATA_SECTION(XintfRegs,XintfRegsFile);volatile struct XINTF_REGS XintfReg