基于DSP的大功率多轴控制系统

时间：2023-07-24

随着机器人技术的不断发展，机器人的应用领域正逐渐多样化，其中，特种机器人是机器人技术的一个重要分支。与在结构化条件下作业的普通机器人相比，特种机器人将面临更为复杂的工作环境，因此其执行电机必须具备扭矩大、功率高的特点。在驱动电路的设计方面，需要提高其承受过载电流的能力，其控制系统也必须具有实时处理复杂信息和任务的能力。文献中提出了一种基于
PCI04和CPLD的运动控制系统搭建方案，由于PCI04相关技术较成熟，该方案能够在一定程度上缩短研发周期。但由于PCI04没有电机控制的专用模块，需要在应用层进行相应模块的扩展，这必将提高控制系统的体积和功耗。文献中采用ARM9和以色列生产的军品级Elnlo控制器搭建控制系统，此种方法自主化程度较低，并且由于利用通用器件构建整个系统，必然会产生一定的硬件资源浪费，性价比不高。文献中提出利用PLC构建机器人控制系统的方案，在这个方案中存在编程复杂和系统造价较高的问题。作者的改进和研究如下：
①该系统采用模块化地设计思想，基于DSP的大功率多轴控制系统包括主控模块、驱动模块、反馈模块、通信模块。整个系统集成化程度高、体积小、功耗低。
②基于DSP的大功率多轴控制系统采用定点DSP，TMS320F2812作为芯片，该芯片具有专用的电机控制单元——事件管理器模块，运算能力强。硬件资源丰富。利用光电隔离、电容滤波等抗干扰技术提高了系统的整体稳定性。
③基于DSP的大功率多轴控制系统选用大电流、半桥、智能芯片BTS7960搭建H桥驱动电路。将驱动电路的持续工作电流提高到43 A，提高了整个系统的工作性能。
1 基于DSP的大功率多轴控制系统构成
为增强特种机器人的动力性能，作者选择了瑞士MAXON公司生产的两款大功率直流伺服电机作为被控对象，其工作电压均为24v。在电机控制卡的选择上，选用了TI公司推出的数字信号处理器TMS320F2812作为微处理器。该数字信号处理器除了具有其他DSP芯片所具有的强大运算能力和实时响应能力外。片内还集成了大容量的Flash存储器和高速RAM，并提供丰富的外设接口和硬件资源，能够在极大地提高特种机器人的空间利用率的同时，节省外围电路的设计。并且，TMS320F2812的双电源供电机制能够在一定程度上降低系统的功率损耗。
在电机驱动电路设计上，为了提高系统的稳定性，作者选择Infineon公司生产的大电流、半桥智能芯片BTS7960搭建H桥。微处理器通过CAN总线实现与上位机的通信。利用TMS320F2812片内集成的事件管理器模块产生PWM控制信号，实时控制电机的转动。电机编码器输出信号通过芯片AM26LS32接入微处理器的QEP模块接口上，实现对电机转速信息的采集。在驱动电路接人采样电阻，对电机的电流进行采样，并利用F2812内部的AD转换器将模拟量转化为数字量，提供给内核芯片，实现对电流环的控制。如上所述，基于DSP的大功率多轴控制系统总体框。
2 基于DSP大功率多轴控制系统硬件电路设计
2.1 驱动电路设计
由于一般特种机器人工作环境相对复杂，对驱动电路的驱动能力要求较高，因而需设计机器人专用驱动电路。目前，大电流有刷直流电机的驱动电路多采用达林顿管或MOS管搭建，该类驱动电路具有体积大、离散性高，以及需增加散热片等弊端。随着科学技术的迅猛发展，基于大功率MOS管的H桥驱动芯片逐渐显现出其不可替代的优势。笔者选用两片英飞凌公司推出的高电流PN半桥驱动芯片BTS7960进行H桥的搭建。该芯片的应用电路原理框图如图2所示。MOS管导通和关断时间由SR引脚外接电阻的阻值决定，调节外接电阻的阻值可提高系统防电磁干扰的能力。利用频率为25 kHz的脉宽调制(PWM)信号控制BTS7960B的开关动作，实现对电机的正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。
图2BTS7960原理图
2.2 电流采样电路设计
BTS7960芯片的引脚IS既具有电流检测功能，又能够提供故障输出信号(如图3所示)。在正常模式下(电流检测模式)，BTS7960内部的一个电流源与IS引脚相连，这个电流源流出的电流与流经高边MOS管的电流成正比，相应的电压值由外部电阻R。决定。在故障状态下，Is引脚与一个独立的电流源相连，IS引脚的电压值由供电电压和外接电阻决定。因此，可以利用BTS7960自带的电流检测引脚进行电流检测。本系统的控制对象为两款直流伺服电机，其工作电压均为24 V，额定功率分别为150 W和90 w，额定电流分别为6。25 A和3.75 A。已知DSP的A／D转换器的采样电压为3 V，选择采样电阻阻值为1 kΩ。放大倍数设为4和7，能够得到很好的反馈效果，采样电路设计结果。
2.3 位置检测模块设计
在基于DSP的大功率多轴控制系统中，与MAXON电机同轴安装了增量式光电编码器。编码器信号由DSP的QEP电路模块处理。当电机工作时，两路正交脉冲被送人F2812的CAPl／QEPl和CAP2／QEP2接口。QEP电路中的方向检测逻辑可以根据两路脉冲序列的相位差，产生一个方向信号作为通用定时器2或定时器4的方向输入。如果CAP1／QEPl引脚的脉冲输入相位超前CAP2／QEP2引脚，则通用定时器进行递增计数；反之，定时器进行递减计数。正交编码脉冲电路对输入脉冲的上升沿和下降沿均进行计数，因此经过QEP电路后的时钟输出是每路输入脉冲频率的4倍，EVA模块将这个4倍频后的时钟作为通用定时器2或定时器4的时钟输入。
2.4 系统时钟模块和电源模块电路设计
TMS320F2812需要一路时钟输入信号作为DSP内核、片内外设以及外部接口的时钟源。时钟电路可以采用无源晶振和有源晶振两种配置方式。在电路设计中，为了保证有源晶振与DSP芯片的电平匹配，选用3.3 V作为有源晶振的电源。为了降低电路中的电磁干扰，在电源与有源晶振接IZl之间增加了磁珠和滤波电容，在有源晶振的时钟信号输出端也添加了滤波电容。
新一代的DSP芯片均向着低电源电压、低功耗的方向发展。为了降低功耗，叉便于实现DSP芯片和外设间的接口，TMS320F2812芯片采用双电源供电机制，以大大降低DSP芯片的功耗。根据机器人控制系统需要，采用TI公司生产的双路低压差输出的电源芯片TPS767D301作为电源模块芯片。该芯片的输入电压范围是4～10 V，典型值为5 V，共产生两路输出，一路输出电压为3。3 V，一路为可调输出(1。2～5。5 V)。
2.5 系统通信电路设计
由于特种机器人机身内部空间狭小，工作环境恶劣，电气干扰源众多，所以通信抗干扰技术显得尤为重要。由于CAN总线在抗干扰能力和数据传输速率方面明显优于其他总线，所以作者选择CAN总线作为上位机和直流伺服电机控制系统的通信方式。TMSS20F2812片上带有CAN总线控制器，CAN总线收发器采用TI公司的接口芯片
SN65HVD230(符合IS011898)，此外，IS011898标准要求CAN总线上的终端节点两端并联120 n的匹配电阻，以避免总线上传输的信号产生反射。
3 基于DSP大功率多轴控制系统软件设计
基于DSP的大功率多轴控制系统的软件开发平台采用的是TI公司的CCS3.3.为了降低编程的复杂度，按照模块化的方式将DSP大功率多轴控制器的软件设计分成若干的功能模块分别编程和调试。软件由主程序、CAN通信中断程序、定时器中断服务程序等组成。DSP大功率多轴控制器上电之后，DSP芯片首先进行初始化，然后初始化控制器的状态；进而和上位机进行通信，在判断上位机所发数据的性质之后，转向相应的处理程序段。系统启动时设置PWM频率为25 kHz。通过定时器1启动ADC，使每个PWM周期都对电流进行采样，并在A／D转换中断处理程序中对电流进行调节，来控制PWM占空比的输出。每50次电流调节采集光电编码器的速度信号，并对速度进行调节子程序略。
4 实验结果及分析
为了检验基于DSP的多轴控制系统的使用效果，笔者选择MAXON直流伺服电机作为被控对象，进行了电机的运动控制实验。利用数字万用表和数字示波器分别对电机运转过程中基于DSP的大功率多轴控制系统的工作电压和输出波形进行了测量。变压模块为TPS767D301，电源电压为5.000 V，理论电压分别为1.800和3.300 V时，测量电压分别为1.868和3.317 V。由测量结果可知，电源模块的理论值和实际测量值基本吻合，实验结果表明电源模块工作稳定。
MAXON直流伺服电机的各项参数如下：额定电压24 V，额定功率90 w，额定电流3.75 A，允许转速为8 200 r／rain。DSP大功率控制器产生的PWM信号的参数如下：周期40μs，频率15 kHz，峰峰值3.30 V。根据PWM信号占空比的不同，电机的转速会产生相应变化。此实验中，共设定了两种占空比的PWM信号，分别为16.7％和50.0％。
由示波器测试结果可知，PWM波经过驱动电路H桥的放大，峰峰值从3.48 V被放大为25.40 V，可以为MAXON直流伺服电机提供运动所需的工作电压。经过驱动电路后，PWM波的周期和频率并没有改变，并且从图中可以看出在电机运动过程中相电压的波形比较稳定。
5 结论
为了开发一种适用于特种机器人的基于DSP的大功率多轴控制系统，笔者以TMS320F2812为机器人控制系统芯片，选用高电流PN半桥驱动芯片BTS7960搭建了大功率驱动电路，实现了对多个直流伺服电机的大功率、高的联合控制。整个控制系统构建合理、结构紧凑、集成度高、性价比好，圆满解决了新型特种搜救机器人对控制系统体积和稳定性的要求。实验结果表明。该DSP大功率多轴控制器工作稳定、性能可靠，达到了预期指标。

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