基于DSP的大功率多軸控制系統

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

PCI04和CPLD的運動(dòng)控制系統搭建方案，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)有電機控制的專(zhuān)用模塊，需要在應用層進(jìn)行相應模塊的擴展，這必將提高控制系統的體積和功耗。文獻中采用ARM9和以色列生產(chǎn)的軍品級Elnlo控制器搭建控制系統，此種方法自主化程度較低，并且由于利用通用器件構建整個(gè)系統，必然會(huì )產(chǎn)生一定的硬件資源浪費，性?xún)r(jià)比不高。文獻中提出利用PLC構建機器人控制系統的方案，在這個(gè)方案中存在編程復雜和系統造價(jià)較高的問(wèn)題。作者的改進(jìn)和研究如下：

①該系統采用模塊化地設計思想，基于DSP的大功率多軸控制系統包括主控模塊、驅動(dòng)模塊、反饋模塊、通信模塊。整個(gè)系統集成化程度高、體積小、功耗低。

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

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

1 基于DSP的大功率多軸控制系統構成

為增強特種機器人的動(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作為被控對象，其工作電壓均為24v。在電機控制卡的選擇上，選用了TI公司推出的數字信號處理器TMS320F2812作為核心微處理器。該數字信號處理器除了具有其他DSP芯片所具有的強大運算能力和實(shí)時(shí)響應能力外。片內還集成了大容量的Flash存儲器和高速RAM，并提供豐富的外設接口和硬件資源，能夠在極大地提高特種機器人的空間利用率的同時(shí)，節省外圍電路的設計。并且，TMS320F2812的雙電源供電機制能夠在一定程度上降低系統的功率損耗。

在電機驅動(dòng)電路設計上，為了提高系統的穩定性，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(xiàn)實(shí)現與上位機的通信。利用TMS320F2812片內集成的事件管理器模塊產(chǎn)生PWM控制信號，實(shí)時(shí)控制電機的轉動(dòng)。電機編碼器輸出信號通過(guò)芯片AM26LS32接入微處理器的QEP模塊接口上，實(shí)現對電機轉速信息的采集。在驅動(dòng)電路接人采樣電阻，對電機的電流進(jìn)行采樣，并利用F2812內部的AD轉換器將模擬量轉化為數字量，提供給內核芯片，實(shí)現對電流環(huán)的控制。如上所述，基于DSP的大功率多軸控制系統總體框圖如圖1所示。

圖1系統總體框圖

2 基于DSP大功率多軸控制系統硬件電路設計

2.1 驅動(dòng)電路設計

由于一般特種機器人工作環(huán)境相對復雜，對驅動(dòng)電路的驅動(dòng)能力要求較高，因而需設計機器人專(zhuān)用驅動(dòng)電路。目前，大電流有刷直流電機的驅動(dòng)電路多采用達林頓管或MOS管搭建，該類(lèi)驅動(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(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于大功率MOS管的H橋驅動(dòng)芯片逐漸顯現出其不可替代的優(yōu)勢。筆者選用兩片英飛凌公司推出的高電流PN半橋驅動(dòng)芯片BTS7960進(jìn)行H橋的搭建。該芯片的應用電路原理框圖如圖2所示。MOS管導通和關(guān)斷時(shí)間由SR引腳外接電阻的阻值決定，調節外接電阻的阻值可提高系統防電磁干擾的能力。利用頻率為25 kHz的脈寬調制(PWM)信號控制BTS7960B的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現對電機的正反向PWM驅動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)等控制狀態(tài)。

圖2BTS7960原理圖

2.2 電流采樣電路設計

BTS7960芯片的引腳IS既具有電流檢測功能，又能夠提供故障輸出信號(如圖3所示)。在正常模式下(電流檢測模式)，BTS7960內部的一個(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自帶的電流檢測引腳進(jìn)行電流檢測。本系統的控制對象為兩款直流伺服電機，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。放大倍數設為4和7，能夠得到很好的反饋效果，采樣電路設計結果如圖4所示。

圖3 IS引腳功能

圖4采樣電路圖

2.3 位置檢測模塊設計

在基于DSP的大功率多軸控制系統中，與MAXON電機同軸安裝了增量式光電編碼器。編碼器信號由DSP的QEP電路模塊處理。當電機工作時(shí)，兩路正交脈沖被送人F2812的CAPl/QEPl和CAP2/QEP2接口。QEP電路中的方向檢測邏輯可以根據兩路脈沖序列的相位差，產(chǎn)生一個(gè)方向信號作為通用定時(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)行遞增計數;反之，定時(shí)器進(jìn)行遞減計數。正交編碼脈沖電路對輸入脈沖的上升沿和下降沿均進(jìn)行計數，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 系統時(shí)鐘模塊和電源模塊電路設計

TMS320F2812需要一路時(shí)鐘輸入信號作為DSP內核、片內外設以及外部接口的時(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。在電路設計中，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)鐘信號輸出端也添加了濾波電容。

新一代的DSP芯片均向著(zhù)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DSP芯片和外設間的接口，TMS320F2812芯片采用雙電源供電機制，以大大降低DSP芯片的功耗。根據機器人控制系統需要，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，一路為可調輸出(1。2～5。5 V)。

2.5 系統通信電路設計

由于特種機器人機身內部空間狹小，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(xiàn)在抗干擾能力和數據傳輸速率方面明顯優(yōu)于其他總線(xiàn)，所以作者選擇CAN總線(xiàn)作為上位機和直流伺服電機控制系統的通信方式。TMSS20F2812片上帶有CAN總線(xiàn)控制器，CAN總線(xiàn)收發(fā)器采用TI公司的接口芯片

SN65HVD230(符合IS011898)，此外，IS011898標準要求CAN總線(xiàn)上的終端節點(diǎn)兩端并聯(lián)120 n的匹配電阻，以避免總線(xiàn)上傳輸的信號產(chǎn)生反射。

3 基于DSP大功率多軸控制系統軟件設計

基于DSP的大功率多軸控制系統的軟件開(kāi)發(fā)平臺采用的是TI公司的CCS3.3.為了降低編程的復雜度，按照模塊化的方式將DSP大功率多軸控制器的軟件設計分成若干的功能模塊分別編程和調試。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)而和上位機進(jìn)行通信，在判斷上位機所發(fā)數據的性質(zhì)之后，轉向相應的處理程序段。系統啟動(dòng)時(shí)設置PWM頻率為25 kHz。通過(guò)定時(shí)器1啟動(dòng)ADC，使每個(gè)PWM周期都對電流進(jìn)行一次采樣，并在A(yíng)/D轉換中斷處理程序中對電流進(jìn)行調節，來(lái)控制PWM占空比的輸出。每50次電流調節采集一次光電編碼器的速度信號，并對速度進(jìn)行調節。系統主程序如圖5所示，子程序略。

圖5控制系統主程序流程圖

4 實(shí)驗結果及分析

為了檢驗基于DSP的多軸控制系統的使用效果，筆者選擇MAXON直流伺服電機作為被控對象，進(jìn)行了電機的運動(dòng)控制實(shí)驗。利用數字萬(wàn)用表和數字示波器分別對電機運轉過(guò)程中基于DSP的大功率多軸控制系統的工作電壓和輸出波形進(jìn)行了測量。變壓模塊為T(mén)PS767D301，電源電壓為5.000 V，理論電壓分別為1.800和3.300 V時(shí)，測量電壓分別為1.868和3.317 V。由測量結果可知，電源模塊的理論值和實(shí)際測量值基本吻合，實(shí)驗結果表明電源模塊工作穩定。

MAXON直流伺服電機的各項參數如下：額定電壓24 V，額定功率90 w，額定電流3.75 A，最大允許轉速為8 200 r/rain。DSP大功率控制器產(chǎn)生的PWM信號的參數如下：周期40μs，頻率15 kHz，峰峰值3.30 V。根據PWM信號占空比的不同，電機的轉速會(huì )產(chǎn)生相應變化。此實(shí)驗中，共設定了兩種占空比的PWM信號，分別為16.7%和50.0%。分別測得控制器輸出PWM信號和電機兩端波形信號如圖6和圖7所示。

圖6占空比為16.7%的實(shí)驗結果波形

圖7 占空比為50.0%的實(shí)驗結果波形

由示波器測試結果可知，PWM波經(jīng)過(guò)驅動(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直流伺服電機提供運動(dòng)所需的工作電壓。經(jīng)過(guò)驅動(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運動(dòng)過(guò)程中相電壓的波形比較穩定。

5 結論

為了開(kāi)發(fā)一種適用于特種機器人的基于DSP的大功率多軸控制系統，筆者以TMS320F2812為機器人控制系統核心芯片，選用高電流PN半橋驅動(dòng)芯片BTS7960搭建了大功率驅動(dòng)電路，實(shí)現了對多個(gè)直流伺服電機的大功率、高精度的聯(lián)合控制。整個(gè)控制系統構建合理、結構緊湊、集成度高、性?xún)r(jià)比好，圓滿(mǎn)解決了新型特種搜救機器人對控制系統體積和穩定性的要求。實(shí)驗結果表明。該DSP大功率多軸控制器工作穩定、性能可靠，達到了預期指標。