基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸多樣化，其中，特種機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要分支。與在結(jié)構(gòu)化條件下作業(yè)的普通機(jī)器人相比，特種機(jī)器人將面臨更為復(fù)雜的工作環(huán)境，因此其執(zhí)行電機(jī)必須具備扭矩大、功率高的特點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方面，需要提高其承受過(guò)載電流的能力，其控制系統(tǒng)也必須具有實(shí)時(shí)處理復(fù)雜信息和任務(wù)的能力。文獻(xiàn)中提出了一種基于

PCI04和CPLD的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)搭建方案，由于PCI04相關(guān)技術(shù)較成熟，該方案能夠在一定程度上縮短研發(fā)周期。但由于PCI04沒(méi)有電機(jī)控制的專用模塊，需要在應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)模塊的擴(kuò)展，這必將提高控制系統(tǒng)的體積和功耗。文獻(xiàn)中采用ARM9和以色列生產(chǎn)的軍品級(jí)Elnlo控制器搭建控制系統(tǒng)，此種方法自主化程度較低，并且由于利用通用器件構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，必然會(huì)產(chǎn)生一定的硬件資源浪費(fèi)，性價(jià)比不高。文獻(xiàn)中提出利用PLC構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)的方案，在這個(gè)方案中存在編程復(fù)雜和系統(tǒng)造價(jià)較高的問(wèn)題。作者的改進(jìn)和研究如下：

①該系統(tǒng)采用模塊化地設(shè)計(jì)思想，基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、反饋模塊、通信模塊。整個(gè)系統(tǒng)集成化程度高、體積小、功耗低。

②基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)采用定點(diǎn)DSP，TMS320F2812作為核心芯片，該芯片具有專用的電機(jī)控制單元——事件管理器模塊，運(yùn)算能力強(qiáng)。硬件資源豐富。利用光電隔離、電容濾波等抗干擾技術(shù)提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

③基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)選用大電流、半橋、智能芯片BTS7960搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路。將驅(qū)動(dòng)電路的持續(xù)工作電流提高到43 A，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。

1 基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)構(gòu)成

為增強(qiáng)特種機(jī)器人的動(dòng)力性能，作者選擇了瑞士MAXON公司生產(chǎn)的兩款大功率直流伺服電機(jī)作為被控對(duì)象，其工作電壓均為24v。在電機(jī)控制卡的選擇上，選用了TI公司推出的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為核心微處理器。該數(shù)字信號(hào)處理器除了具有其他DSP芯片所具有的強(qiáng)大運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力外。片內(nèi)還集成了大容量的Flash存儲(chǔ)器和高速RAM，并提供豐富的外設(shè)接口和硬件資源，能夠在極大地提高特種機(jī)器人的空間利用率的同時(shí)，節(jié)省外圍電路的設(shè)計(jì)。并且，TMS320F2812的雙電源供電機(jī)制能夠在一定程度上降低系統(tǒng)的功率損耗。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，作者選擇Infineon公司生產(chǎn)的大電流、半橋智能芯片BTS7960搭建H橋。微處理器通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。利用TMS320F2812片內(nèi)集成的事件管理器模塊產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)編碼器輸出信號(hào)通過(guò)芯片AM26LS32接入微處理器的QEP模塊接口上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的采集。在驅(qū)動(dòng)電路接人采樣電阻，對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行采樣，并利用F2812內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，提供給內(nèi)核芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流環(huán)的控制。如上所述，基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體框圖

2 基于DSP大功率多軸控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于一般特種機(jī)器人工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求較高，因而需設(shè)計(jì)機(jī)器人專用驅(qū)動(dòng)電路。目前，大電流有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路多采用達(dá)林頓管或MOS管搭建，該類驅(qū)動(dòng)電路具有體積大、離散性高，以及需增加散熱片等弊端。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于大功率MOS管的H橋驅(qū)動(dòng)芯片逐漸顯現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢(shì)。筆者選用兩片英飛凌公司推出的高電流PN半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960進(jìn)行H橋的搭建。該芯片的應(yīng)用電路原理框圖如圖2所示。MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間由SR引腳外接電阻的阻值決定，調(diào)節(jié)外接電阻的阻值可提高系統(tǒng)防電磁干擾的能力。利用頻率為25 kHz的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制BTS7960B的開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反向PWM驅(qū)動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)等控制狀態(tài)。

圖2BTS7960原理圖

2.2 電流采樣電路設(shè)計(jì)

BTS7960芯片的引腳IS既具有電流檢測(cè)功能，又能夠提供故障輸出信號(hào)(如圖3所示)。在正常模式下(電流檢測(cè)模式)，BTS7960內(nèi)部的一個(gè)電流源與IS引腳相連，這個(gè)電流源流出的電流與流經(jīng)高邊MOS管的電流成正比，相應(yīng)的電壓值由外部電阻R。決定。在故障狀態(tài)下，Is引腳與一個(gè)獨(dú)立的電流源相連，IS引腳的電壓值由供電電壓和外接電阻決定。因此，可以利用BTS7960自帶的電流檢測(cè)引腳進(jìn)行電流檢測(cè)。本系統(tǒng)的控制對(duì)象為兩款直流伺服電機(jī)，其工作電壓均為24 V，額定功率分別為150 W和90 w，額定電流分別為6。25 A和3.75 A。已知DSP的A/D轉(zhuǎn)換器的最大采樣電壓為3 V，選擇采樣電阻阻值為1 kΩ。放大倍數(shù)設(shè)為4和7，能夠得到很好的反饋效果，采樣電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖3 IS引腳功能

圖4采樣電路圖

2.3 位置檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)中，與MAXON電機(jī)同軸安裝了增量式光電編碼器。編碼器信號(hào)由DSP的QEP電路模塊處理。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，兩路正交脈沖被送人F2812的CAPl/QEPl和CAP2/QEP2接口。QEP電路中的方向檢測(cè)邏輯可以根據(jù)兩路脈沖序列的相位差，產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)作為通用定時(shí)器2或定時(shí)器4的方向輸入。如果CAP1/QEPl引腳的脈沖輸入相位超前CAP2/QEP2引腳，則通用定時(shí)器進(jìn)行遞增計(jì)數(shù);反之，定時(shí)器進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖電路對(duì)輸入脈沖的上升沿和下降沿均進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此經(jīng)過(guò)QEP電路后的時(shí)鐘輸出是每路輸入脈沖頻率的4倍，EVA模塊將這個(gè)4倍頻后的時(shí)鐘作為通用定時(shí)器2或定時(shí)器4的時(shí)鐘輸入。

2.4 系統(tǒng)時(shí)鐘模塊和電源模塊電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812需要一路時(shí)鐘輸入信號(hào)作為DSP內(nèi)核、片內(nèi)外設(shè)以及外部接口的時(shí)鐘源。時(shí)鐘電路可以采用無(wú)源晶振和有源晶振兩種配置方式。在電路設(shè)計(jì)中，為了保證有源晶振與DSP芯片的電平匹配，選用3.3 V作為有源晶振的電源。為了降低電路中的電磁干擾，在電源與有源晶振接IZl之間增加了磁珠和濾波電容，在有源晶振的時(shí)鐘信號(hào)輸出端也添加了濾波電容。

新一代的DSP芯片均向著低電源電壓、低功耗的方向發(fā)展。為了降低功耗，叉便于實(shí)現(xiàn)DSP芯片和外設(shè)間的接口，TMS320F2812芯片采用雙電源供電機(jī)制，以大大降低DSP芯片的功耗。根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)需要，采用TI公司生產(chǎn)的雙路低壓差輸出的電源芯片TPS767D301作為電源模塊核心芯片。該芯片的輸入電壓范圍是4～10 V，典型值為5 V，共產(chǎn)生兩路輸出，一路輸出電壓為3。3 V，一路為可調(diào)輸出(1。2～5。5 V)。

2.5 系統(tǒng)通信電路設(shè)計(jì)

由于特種機(jī)器人機(jī)身內(nèi)部空間狹小，工作環(huán)境惡劣，電氣干擾源眾多，所以通信抗干擾技術(shù)顯得尤為重要。由于CAN總線在抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸速率方面明顯優(yōu)于其他總線，所以作者選擇CAN總線作為上位機(jī)和直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的通信方式。TMSS20F2812片上帶有CAN總線控制器，CAN總線收發(fā)器采用TI公司的接口芯片

SN65HVD230(符合IS011898)，此外，IS011898標(biāo)準(zhǔn)要求CAN總線上的終端節(jié)點(diǎn)兩端并聯(lián)120 n的匹配電阻，以避免總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生反射。

3 基于DSP大功率多軸控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)采用的是TI公司的CCS3.3.為了降低編程的復(fù)雜度，按照模塊化的方式將DSP大功率多軸控制器的軟件設(shè)計(jì)分成若干的功能模塊分別編程和調(diào)試。軟件由主程序、CAN通信中斷程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序等組成。DSP大功率多軸控制器上電之后，DSP芯片首先進(jìn)行初始化，然后初始化控制器的狀態(tài);進(jìn)而和上位機(jī)進(jìn)行通信，在判斷上位機(jī)所發(fā)數(shù)據(jù)的性質(zhì)之后，轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序段。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置PWM頻率為25 kHz。通過(guò)定時(shí)器1啟動(dòng)ADC，使每個(gè)PWM周期都對(duì)電流進(jìn)行一次采樣，并在A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序中對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)控制PWM占空比的輸出。每50次電流調(diào)節(jié)采集一次光電編碼器的速度信號(hào)，并對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主程序如圖5所示，子程序略。

圖5控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了檢驗(yàn)基于DSP的多軸控制系統(tǒng)的使用效果，筆者選擇MAXON直流伺服電機(jī)作為被控對(duì)象，進(jìn)行了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。利用數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)字示波器分別對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)的工作電壓和輸出波形進(jìn)行了測(cè)量。變壓模塊為TPS767D301，電源電壓為5.000 V，理論電壓分別為1.800和3.300 V時(shí)，測(cè)量電壓分別為1.868和3.317 V。由測(cè)量結(jié)果可知，電源模塊的理論值和實(shí)際測(cè)量值基本吻合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電源模塊工作穩(wěn)定。

MAXON直流伺服電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如下：額定電壓24 V，額定功率90 w，額定電流3.75 A，最大允許轉(zhuǎn)速為8 200 r/rain。DSP大功率控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)的參數(shù)如下：周期40μs，頻率15 kHz，峰峰值3.30 V。根據(jù)PWM信號(hào)占空比的不同，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。此實(shí)驗(yàn)中，共設(shè)定了兩種占空比的PWM信號(hào)，分別為16.7%和50.0%。分別測(cè)得控制器輸出PWM信號(hào)和電機(jī)兩端波形信號(hào)如圖6和圖7所示。

圖6占空比為16.7%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形

圖7 占空比為50.0%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形

由示波器測(cè)試結(jié)果可知，PWM波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路H橋的放大，峰峰值從3.48 V被放大為25.40 V，可以為MAXON直流伺服電機(jī)提供運(yùn)動(dòng)所需的工作電壓。經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后，PWM波的周期和頻率并沒(méi)有改變，并且從圖中可以看出在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相電壓的波形比較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

為了開發(fā)一種適用于特種機(jī)器人的基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)，筆者以TMS320F2812為機(jī)器人控制系統(tǒng)核心芯片，選用高電流PN半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960搭建了大功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)直流伺服電機(jī)的大功率、高精度的聯(lián)合控制。整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)建合理、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、性價(jià)比好，圓滿解決了新型特種搜救機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)體積和穩(wěn)定性的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。該DSP大功率多軸控制器工作穩(wěn)定、性能可靠，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。