安徽大学
硕士学位论文
基于TMS320F2812DSP的手臂机器人关节控制器的设计
姓名：陈伟
申请学位级别：硕士
专业：检测技术与自动化装置
指导教师：王群京
2010-04
摘要
摘 要
随着电子控制技术的发展，机器人控制技术也不断的推陈出新。近几十年，
手臂机器人在工业领域的应用越来越广泛，如何实现其关节控制，使其具有更好
的控制精度和实时性，已成为近年来研究的热门领域。本文主要的研究目标是以
无刷直流电动机为被控对象，研制出一种基于 TMS320F2812 数字信号处理器的
手臂机器人关节控制器对手臂机器人关节进行精准、实时的控制。
本文介绍了手臂机器人和与其相关的关节控制器的发展，重点分析了永磁无
刷直流电动机的结构特点及其控制电路，建立了电动机本体及其双闭环控制系统
的数学模型和传递函数。通过 Matlab 软件的 Simulink 仿真模块建立了模块化的
仿真模型以实现对无刷直流电动机控制系统的仿真，并且对电流环的 PI 控制器
采用模糊推理控制进行优化，从而降低了系统超调量，提高了系统响应时间，减
小了电动机的转动惯量。
硬件方面，采用 TI 公司出品的 TMS320F2812 数字信号处理器作为控制电路
来构建系统模块。整个系统由三相整流逆变模块、位置信号检测模块、电流检测
模块、光耦隔离电路模块以及电压转换模块等构成一个无刷直流电动机运动控制
硬件平台，由控制电路输出 6 路 PWM 信号来触发主回路逆变桥的动作进而实现
对无刷直流电动机的驱动。
软件方面，以 CCS 软件设计系统为设计平台对 DSP 进行编程。全部软件以
模块化进行构建，以实现动态、快速的位置控制。
最后，对所设计的关节控制器进行了软件和硬件的调试。实验表明，该控制
器不仅可以实现手臂机器人关节的运动控制，同样适用于其他直流电动机的运动
伺服控制，具有一定的实用价值。
关键字：手臂机器人关节、无刷直流电动机、PI 控制、双闭环控制、模糊控制、
TMS320F2812 控制器
I
Abstract
Abstract
With the development of electronic control technology, robot control technology
is also continuously evolved. In recent decades, the arm robots are more and more
widely applied in the industrial field. Recently, the joint control of arm robot is
becoming one of the hottest research fields to implement better control accuracy and
real-time property. Taken Brushless DC motor as controlled object, this paper
designed a motion controller to control the joint of arm robot based on the
TMS320F2812DSP.
First of all, this paper described the development history of industrial arm robot
and its joint controller, analyzed the structure of permanent magnet brushless DC
motor and its control circuit, and deducted the mathematical models and transfer
function of motor body and its double loop control system. Using Simulink toolbar of
Matlab software, this paper established block-based simulation model to implement
the simulation of control system of brushless DC motor. Also, by using fuzzy logic
method, the current PI controller is optimized, thus the system overshooting was
drooped, response time was reduced and torque disturbance was decreased
significantly.
As for the hardware, TMS320F2812DSP was applied as core circuit to control
this motor control system. In details, this paper built three-phase rectifier inverter
module, position signal detection module, current detection module, optp-isolation
circuit module and voltage conversion unite to constitute the motion control hardware
platform of a brushless DC motor. This platform outputs six channel PWM signals to
trigger the inverter circuit in order to drive the brushless DC motor.
As for the software, this paper applied the CCS software to program DSP
controller. All of the programs were written modularized to implement dynamic and
fast position control.
Finally, hardware and software were debugged respectively. Experimental
results demonstrated that this joint controller not only could be used in the motion
control of arm joint but also could be used in the filed of other DC motors, thus has a
sound application prospect.
Key words: joint of arm robot, brushless DC motor, PI control, double-loop control,
fuzzy logical control, TMS320F2812 controller
II
第一章 引言
第一章 引言
1.1 关节手臂机器人及其运动控制技术的发展
1.1.1 机器人手臂概述
自从进入工业化时代以来，最具代表性的自动化与集成化的光机电一体化的
技术系统非机器人莫属。经过几十年的发展，现代机器人无论是在工业生产领域
还是在人们的日常生活中甚至是整个社会领域都发挥着愈来愈独特的作用。在机
器人的所有类别当中，由于具有能够模拟人的或动物的肢体或者是整体的仿生特
性，关节型机器人手臂无疑具有了优于其它类型机器人的动作能力，也自然受到
了前所未有的极大关注。自上个世纪七十年代诞生首部工业用关节机器人手臂以
来，人们研制出了各式各样地能够完成各种不同人物的关节式机器人手臂，在工
业生产、国防、办公自动化、家庭生活等方面贡献良多。随着现代材料科技的突
飞猛进和控制技术的日臻完善，新世纪的机器人特别是关节型机器人手臂的研究
也正朝着微型化和智能化的新方向不断发展，未来的关节机器人手臂将不仅可以
拥有比肩人类的外形和基本动作，甚至还将具有某种程度的感觉与思维能力
[1]
。
图 1.1 直角坐标机器人手臂 图 1.2 线性执行器手臂
Fig 1.1 Cartesian coordinate robotic arm Fig 1.2 Linear servo actuator
直角坐标机器人手臂(也叫笛卡尔坐标系机器人手臂)示意图如图 1.1 所示。
它的三个关节全部是移动关节(Prismatic Joint，或简称 PPP)。该手臂有三个自由
度，通过三个互相垂直的轴线位移来改变空间位置。图 1.2 为直角坐标机器人手
臂的一种应用——线性执行器。
1
