如何設計基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)？

隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人的應用領域正逐漸多樣化，其中，特種機器人是機器人技術的一個重要分支。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(zhí)行電機必須具備扭矩大、功率高的特點。在驅動電路的設計方面，需要提高其承受過載電流的能力，其控制系統(tǒng)也必須具有實時處理復雜信息和任務的能力。文獻中提出了一種基于

PCI04和CPLD的運動控制系統(tǒng)搭建方案，由于PCI04相關技術較成熟，該方案能夠在一定程度上縮短研發(fā)周期。但由于PCI04沒有電機控制的專用模塊，需要在應用層進行相應模塊的擴展，這必將提高控制系統(tǒng)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(tǒng)，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系統(tǒng)，必然會產(chǎn)生一定的硬件資源浪費，性價比不高。文獻中提出利用PLC構建機器人控制系統(tǒng)的方案，在這個方案中存在編程復雜和系統(tǒng)造價較高的問題。作者的改進和研究如下：

①該系統(tǒng)采用模塊化地設計思想，基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)包括主控模塊、驅動模塊、反饋模塊、通信模塊。整個系統(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DSP，TMS320F2812作為核心芯片，該芯片具有專用的電機控制單元——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橋驅動電路。將驅動電路的持續(xù)工作電流提高到43 A，提高了整個系統(tǒng)的工作性能。

1 基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)構成

為增強特種機器人的動力性能，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(shù)字信號處理器TMS320F2812作為核心微處理器。該數(shù)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時響應能力外。片內(nèi)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，節(jié)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(tǒng)的功率損耗。

在電機驅動電路設計上，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CAN總線實現(xiàn)與上位機的通信。利用TMS320F2812片內(nèi)集成的事件管理器模塊產(chǎn)生PWM控制信號，實時控制電機的轉動。電機編碼器輸出信號通過芯片AM26LS32接入微處理器的QEP模塊接口上，實現(xiàn)對電機轉速信息的采集。在驅動電路接人采樣電阻，對電機的電流進行采樣，并利用F2812內(nèi)部的AD轉換器將模擬量轉化為數(shù)字量，提供給內(nèi)核芯片，實現(xiàn)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(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)硬件電路設計

2.1 驅動電路設計

由于一般特種機器人工作環(huán)境相對復雜，對驅動電路的驅動能力要求較高，因而需設計機器人專用驅動電路。目前，大電流有刷直流電機的驅動電路多采用達林頓管或MOS管搭建，該類驅動電路具有體積大、離散性高，以及需增加散熱片等弊端。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，基于大功率MOS管的H橋驅動芯片逐漸顯現(xiàn)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半橋驅動芯片BTS7960進行H橋的搭建。該芯片的應用電路原理框圖如圖2所示。MOS管導通和關斷時間由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)信號控制BTS7960B的開關動作，實現(xiàn)對電機的正反向PWM驅動、反接制動、能耗制動等控制狀態(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(nèi)部的一個電流源與IS引腳相連，這個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行電流檢測。本系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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，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(jù)兩路脈沖序列的相位差，產(chǎn)生一個方向信號作為通用定時器2或定時器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，則通用定時器進行遞增計數(shù);反之，定時器進行遞減計數(shù)。正交編碼脈沖電路對輸入脈沖的上升沿和下降沿均進行計數(shù)，因此經(jīng)過QEP電路后的時鐘輸出是每路輸入脈沖頻率的4倍，EVA模塊將這個4倍頻后的時鐘作為通用定時器2或定時器4的時鐘輸入。[!--empirenews.page--]

2.4 系統(tǒng)時鐘模塊和電源模塊電路設計

TMS320F2812需要一路時鐘輸入信號作為DSP內(nèi)核、片內(nèi)外設以及外部接口的時鐘源。時鐘電路可以采用無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，在有源晶振的時鐘信號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，叉便于實現(xiàn)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(jù)機器人控制系統(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)通信電路設計

由于特種機器人機身內(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總線作為上位機和直流伺服電機控制系統(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標準要求CAN總線上的終端節(jié)點兩端并聯(lián)120 n的匹配電阻，以避免總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生反射。

3 基于DSP大功率多軸控制系統(tǒng)軟件設計

基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)的軟件開發(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(diào)試。軟件由主程序、CAN通信中斷程序、定時器中斷服務程序等組成。DSP大功率多軸控制器上電之后，DSP芯片首先進行初始化，然后初始化控制器的狀態(tài);進而和上位機進行通信，在判斷上位機所發(fā)數(shù)據(jù)的性質(zhì)之后，轉向相應的處理程序段。系統(tǒng)啟動時設置PWM頻率為25 kHz。通過定時器1啟動ADC，使每個PWM周期都對電流進行一次采樣，并在A/D轉換中斷處理程序中對電流進行調(diào)節(jié)，來控制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，并對速度進行調(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 實驗結果及分析

為了檢驗基于DSP的多軸控制系統(tǒng)的使用效果，筆者選擇MAXON直流伺服電機作為被控對象，進行了電機的運動控制實驗。利用數(shù)字萬用表和數(shù)字示波器分別對電機運轉過程中基于DSP的大功率多軸控制系統(tǒng)的工作電壓和輸出波形進行了測量。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，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際測量值基本吻合，實驗結果表明電源模塊工作穩(wěn)定。

MAXON直流伺服電機的各項參數(shù)如下：額定電壓24 V，額定功率90 w，額定電流3.75 A，最大允許轉速為8 200 r/rain。DSP大功率控制器產(chǎn)生的PWM信號的參數(shù)如下：周期40μs，頻率15 kHz，峰峰值3.30 V。根據(jù)PWM信號占空比的不同，電機的轉速會產(chǎn)生相應變化。此實驗中，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%的實驗結果波形

圖7 占空比為50.0%的實驗結果波形

由示波器測試結果可知，PWM波經(jīng)過驅動電路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所需的工作電壓。經(jīng)過驅動電路后，PWM波的周期和頻率并沒有改變，并且從圖中可以看出在電機運動過程中相電壓的波形比較穩(wěn)定。

5 結論

為了開發(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(tǒng)，筆者以TMS320F2812為機器人控制系統(tǒng)核心芯片，選用高電流PN半橋驅動芯片BTS7960搭建了大功率驅動電路，實現(xiàn)了對多個直流伺服電機的大功率、高精度的聯(lián)合控制。整個控制系統(tǒng)構建合理、結構緊湊、集成度高、性價比好，圓滿解決了新型特種搜救機器人對控制系統(tǒng)體積和穩(wěn)定性的要求。實驗結果表明。該DSP大功率多軸控制器工作穩(wěn)定、性能可靠，達到了預期指標。