基于DSP2812的運動(dòng)控制平臺

在大二的時(shí)候我加入到了學(xué)院的創(chuàng )新實(shí)驗室，加入實(shí)驗室后每天都很努力，怕學(xué)習不好表現不好會(huì )被導師趕出去，每天早上7點(diǎn)簽到，然后就開(kāi)始學(xué)習英語(yǔ)，如果有課就在8點(diǎn)去上課，沒(méi)課就開(kāi)始學(xué)習相關(guān)專(zhuān)業(yè)課;晚上必須在實(shí)驗室待到10點(diǎn)以后才能回寢室，每個(gè)假期只能回家一周多，所以從大二開(kāi)始我就沒(méi)有了寒暑假，這些都是導師的要求，也是工作室每個(gè)成員必須做到的。大二導師主要抓模數電和單片機，記得曾經(jīng)做過(guò)OCL模擬功放，數字功放，電源等一些模擬類(lèi)設計，并以音質(zhì)和效率進(jìn)行評比;用單片機做過(guò)一些多功能數字鐘，紅外解碼等一些作品，數字鐘以運行一天誰(shuí)的誤差最小來(lái)評比。

到了大三，我們每個(gè)人根據自己的興趣愛(ài)好選擇了自己的方向，我們實(shí)驗室一直以來(lái)都是以FPGA為主打方向的，很多人選擇了FPGA，而我卻選擇了DSP，實(shí)驗室師兄做DSP的也幾乎沒(méi)有，我就成立孤軍奮戰。接下來(lái)湊了1000元買(mǎi)了開(kāi)發(fā)板，開(kāi)始接觸DSP，剛開(kāi)始的入門(mén)真的遇到了很多的問(wèn)題，總是踏不進(jìn)那個(gè)門(mén)檻，一個(gè)人的鉆研會(huì )浪費更多的時(shí)間，但每個(gè)問(wèn)題讓人記憶猶新，如今論壇上很多剛接觸DSP的網(wǎng)友遇到的問(wèn)題也就是當初我遇到過(guò)的。

基本熟悉了DSP2812后我做的第一個(gè)設計就是2011年中國機器人大賽項目中的機器人游中國小車(chē)，整個(gè)車(chē)體的硬件單路都是我們自己設計，畫(huà)PCB并用學(xué)院的PCB刻板機花一夜的時(shí)間做出來(lái)，焊接調試，可能是由于設計的不合理和保護做的不是很好，燒壞過(guò)2塊核心板;第二個(gè)設計就是我要快樂(lè )分享的運動(dòng)控制平臺的設計，下面就是我的設計：

設計以TMS320F2812為控制器，結合其控制方便、處理速度快等特點(diǎn)，運用PID算法進(jìn)行速度環(huán)調節，500線(xiàn)光電編碼器進(jìn)行速度的反饋，變M/T法進(jìn)行速度的精確采集，霍爾電流傳感器進(jìn)行電流的采集和繼電器確保過(guò)流的斷電保護，可控恒流源控制負載大小，VB6.0可視化控制界面的編寫(xiě)，設計了兼有PWM和模擬量控制的直流無(wú)刷電動(dòng)機閉環(huán)在線(xiàn)調試系統，給出了該系統的功能、硬件結構和軟件設計方法。系統中的主要控制對象是直流無(wú)刷電機，還有磁粉制動(dòng)器作為電機的模擬負載，下面簡(jiǎn)單介紹一下直流無(wú)刷電機和磁粉制動(dòng)器：

直流無(wú)刷電機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此使這種電機不僅保留了直流電機的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電機的結果簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，使它一出現就以極快的速度發(fā)展和普及，廣泛應用于航空航天，精密儀器，現代家電等領(lǐng)域。磁粉制動(dòng)器是根據電磁原理和利用磁粉傳遞轉矩的。磁粉制動(dòng)器具有激磁電流和傳遞轉矩基本成線(xiàn)性關(guān)系，作為電機的模擬負載，在調試閉環(huán)參數時(shí)可以通過(guò)調節恒流源的電流大小去控制負載的大小，從而找出最佳閉環(huán)系數。

在整個(gè)運動(dòng)控制平臺硬件系統中，系統供電電路主要有DCDC模塊構成，負責給各個(gè)電路模塊提供工作電源，其輸出電壓有±15V，+12V，+5V，+3.3V。信號調理電路完成對各種傳感器及采集回來(lái)的信號處理，主要包括霍爾電流傳感器的模擬量信號、光電編碼器的轉速信號、給定控制開(kāi)關(guān)量信號等，經(jīng)調理電路后，使其各種信號的電平和幅值滿(mǎn)足DSP控制器的要求;DSP主控電路以TMS320F2812為核心處理器，完成對各種信號的處理以及系統的閉環(huán)控制，并通過(guò)SCI接口實(shí)現控制器與上位機的通訊;恒流源為磁粉制動(dòng)器提供電流，以便輸出與電流成線(xiàn)性關(guān)系的扭矩。下面是我畫(huà)的大體框圖：其中2812核心板原理圖、PCB、BOM表和Gerber都已經(jīng)分享到了論壇版塊 http://bbs.21ic.com/icview-583101-1-1.html

電機驅動(dòng)器是由分立元器件H橋搭起來(lái)的，沒(méi)有采用半橋驅動(dòng)芯片如IR2101等芯片，使用三極管搭建的并有一定的硬件死區作用;我覺(jué)得做H橋驅動(dòng)器最重要的就是上橋臂的浮動(dòng)導通，這一點(diǎn)一定要做好，在電機驅動(dòng)中，由于電流較大，上管都采用N型MOSFET。由于每個(gè)上管源極的電壓是浮動(dòng)的，因此上管的柵極驅動(dòng)電壓也必須浮置在源極的電壓之上才能有效地開(kāi)啟上管。實(shí)現這種的方法有多種，如自舉法、隔離電壓法、脈沖變壓器法、電荷泵法、載法驅動(dòng)法等多種方法。本次設計采用電荷泵法來(lái)實(shí)現電壓的浮動(dòng)，主要電路如下如所示：

電荷泵的基本原理是通過(guò)電容對電荷的積累效應而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。隨著(zhù)集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗，低成本的考慮，電荷泵在電路設計中的應用越來(lái)越廣泛。由于H橋由4個(gè)N溝道功率MOSFET組成，如要控制各個(gè)MOSFET，各MOSFET的門(mén)極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導通，其門(mén)極電壓一般在10V以上，即Vgs>10V,對于H橋下橋臂，直接加10V以上的電壓即可使其導通;而對于上橋臂，驅動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅動(dòng)電路中增設升壓電路，提供高于柵極的電壓?？紤]到Vgs有上限要求，一般MOSFET導通時(shí)Vgs為10V~15V，也就是控制門(mén)極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即浮動(dòng)柵驅動(dòng)。因此在驅動(dòng)控制電路中設計電荷泵電路，用于提供高于驅動(dòng)電源電壓的電壓。

最近看到電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)器上為了擴大電流，在H橋上使用的75NF75上又并聯(lián)了一個(gè)，這樣電流會(huì )更大，可靠性也更高，值得借鑒。下上橋驅動(dòng)電路如下圖所示：