康复机械手电机控制及电源系统研究

摘要

目前，嵌入式设备迅速发展，应用领域越来越广。研究嵌入式系统下的多电机控制方法以及适用于嵌入式设备的电源系统对嵌入式设备的发展具有积极意义。
　　本文以康复机械手系统为背景，结合国家自然科学基金“智能促动手（指）功能恢复医疗仿生机械手的研究”（批准号：60275033），根据康复机械手控制系统的功能需求，围绕电机控制及其电源系统进行研究。论文研究的主要内容包括：
　　首先，根据系统对多电机控制的需求，结合SPI的工作原理，对多电机控制器进行了整体设计并划分了功能模块。利用VerilogHDL语言开发了FPGA控制程序，经过仿真和实验证实了该程序的正确性。
　　其次，针对所设计的多电机控制器和SPI的工作原理，结合嵌入式Liunx下驱动程序和内核的工作原理，开发了嵌入式系统所需的多电机控制器的驱动程序并对其进行了内核配置。
　　再次，在完成多电机控制器及其驱动程序的基础上，根据仿生康复手需要实现的康复功能及其硬件特性，开发了相应的API函数和底层控制函数，用来实现仿生康复手的各种康复运动和对运动过程中数据的采集、保存等操作。
　　最后，设计系统所需电源系统。在对电源系统功能需求进行分析的基础上，得出所需电源系统的拓扑关系并划分模块，通过对各个模块的研究，完成满足系统要求的电源系统。

目录

康复机械手电机控制及电源系统研究

RESEARCH ON MOTOR CONTROL AND POWER SYSTEM OF THE REHABILITATION MANIPULATOR

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 嵌入式系统

1.2.2 Linux的发展

1.2.3 电机控制方法与电机控制器

1.2.4 充电电池与充电器

1.3 本课题研究的主要内容

第2章 基于FPGA的多电机控制器设计

2.1 FPGA的发展现状

2.1.1 可编程逻辑器件的发展

2.1.2 FPGA的特点

2.2 FPGA的开发工具和设计流程

2.2.1 硬件描述语言

2.2.2 开发流程

2.3 FPGA的硬件线路描述

2.4 多电机控制器的功能描述

2.5 基于SPI的FPGA多电机控制器的软件实现

2.5.1 多电机控制器的整体结构

2.5.2 多电机控制器的spi_core模块

2.5.3 多电机控制器的counter模块

2.5.4 多电机控制器时序仿真

2.5.5 FPGA程序下载

2.6 本章小结

第3章 嵌入式Linux驱动程序开发

3.1 嵌入式操作系统的发展现状

3.1.1 嵌入式软件

3.1.2 嵌入式操作系统

3.1.3 嵌入式Linux操作系统

3.2 Linux设备驱动程序

3.3 SPI的工作原理

3.4 多电机控制器驱动程序结构设计

3.4.1 嵌入式系统中SPI的工作过程

3.4.2 驱动程序功能分析

3.4.3 驱动程序结构分析

3.5 驱动程序的编写

3.5.1 驱动程序子函数的编写

3.5.2 主函数设计

3.6 驱动程序的内核实现

3.6.1 配置Linux内核的原因

3.6.2 内核的组成和功能

3.6.3 配置系统的基本结构

3.6.4 内核配置

3.6.5 内核编译

3.7 本章小结

第4章 控制函数开发

4.1 API及其相关函数

4.1.1 API函数开发过程

4.1.2 电机启动函数开发

4.1.3 电机换向函数开发

4.1.4 电机停止函数开发

4.1.5 采样函数开发

4.2 底层控制函数

4.2.1 采样保存函数

4.2.2 康复速度计算函数

4.2.3 力矩传感器调平函数

4.3 本章小结

第5章 电源系统研制

5.1 电源系统总体设计

5.1.1 电源系统需求分析

5.1.2 电源系统的拓扑关系

5.2 电压转换模块设计

5.3 充放电模块设计

5.3.1 充电芯片选择

5.3.2 基于BQ2057充电模块的设计

5.4 电源管理模块设计

5.4.1 电源管理芯片选择

5.4.2 基于UCC3911的电源管理电路

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢