劉瑞濤

（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050081）

0 引言

從二十世紀(jì)七十年代起至今，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量已經(jīng)比較龐大，在機(jī)器人的某些技術(shù)方面也達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但總體來(lái)說(shuō)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)仍領(lǐng)先我國(guó)很多年。究其原因不難發(fā)現(xiàn)：我國(guó)研究工業(yè)機(jī)器人采取的方法主要是首先引進(jìn)外國(guó)的先進(jìn)技術(shù)，然后再對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，這就造成了我國(guó)自身創(chuàng)新技術(shù)比較少，嚴(yán)重制約了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。為打破國(guó)外對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)壟斷，我們必須自力更生，掌握高性能工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并在原來(lái)的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。由于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的執(zhí)行器為電機(jī)，所以獲得電機(jī)的良好控制效果是非常重要的，要想獲得優(yōu)良的電機(jī)控制性能，就需要高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此研制高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。

交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所以本文的主要任務(wù)是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件的框圖如圖1所示。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 DSP的選型

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖

DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括控制芯片的選擇、主電路的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、外圍設(shè)備、邏輯電路等，它是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，DSP芯片又是重中之重。TMS320C5000系列DSP具有最低功耗的特點(diǎn)，是專門針對(duì)消費(fèi)類數(shù)字市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的，最低耗電只有0.33mA/MHz，所以多應(yīng)用于日常生活中的消費(fèi)產(chǎn)品，如照相機(jī)、手機(jī)等。TI公司的TMS320C6000系列擁有最高的處理能力，是一種適合采用C++/C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程的數(shù)字處理器，主要應(yīng)用在軍事國(guó)防等高端領(lǐng)域。與C5000和C6000系列的DSP相比，TMS320C2000系列的DSP由于其具有速度快、精度高、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前控制領(lǐng)域性能最高的處理器。其中，C28系列DSP是TMS320C2000平臺(tái)中的新成員，它由C24系列DSP改進(jìn)而來(lái)，是一款支持C/C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)的芯片，C28系列DSP非常適合于工業(yè)控制，在算法控制上有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，是一款不可多得的微處理器，它的高效性可以使它代替任何其他處理器。C2000系列DSP不含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，僅含只讀存儲(chǔ)器ROM；F2000系列DSP不僅內(nèi)含ROM只讀存儲(chǔ)器，而且還包括Flash存儲(chǔ)器，可以反復(fù)擦寫(xiě)，適合應(yīng)用在產(chǎn)品的初期開(kāi)發(fā)階段。若采用TMS320C281x，則需要將代碼交付生產(chǎn)廠商，把程序固化到TMS320C281x的ROM中，增加了成本，所以選擇使用TMS320F281x DSP芯片。其中，TMS320F2812作為TI公司首推的芯片，具有很高的性價(jià)比。綜上所述，最終選擇DSP的型號(hào)為TMS320F2812。

1.2 位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文交流伺服電機(jī)中所采用的編碼器為多摩川公司生產(chǎn)的型號(hào)為TS5668N21的17位絕對(duì)式編碼器，一般的做法是采用生產(chǎn)廠商提供的專用芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但該做法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是專用芯片的成本十分昂貴，與本文需要研制經(jīng)濟(jì)型的工業(yè)機(jī)器人宗旨相違背，為了降低成本，本文自己設(shè)計(jì)了將絕對(duì)式編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP能識(shí)別的串口信號(hào)電路，如圖2所示。

圖2 位置檢測(cè)電路

圖2中的電感與光耦可以起到濾波和防浪涌的功能，由于該絕對(duì)式編碼器輸出的是差動(dòng)信號(hào)，所以需要通過(guò)芯片SN65176BD(BDR)G4將絕對(duì)式編碼器的差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為DSP可以識(shí)別的串口信號(hào)，即TTL信號(hào)，此外該芯片的供電電壓為直流5V，所以該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還應(yīng)該提供5V的直流電源，由于該工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了利用一個(gè)DSP來(lái)控制兩個(gè)永磁同步電機(jī)的想法，好處是降低成本，充分發(fā)揮了TMS320F2812的運(yùn)算速度快及外設(shè)資源豐富的特點(diǎn)，所以兩個(gè)電機(jī)的編碼器信號(hào)分別通過(guò)串口SCIA和SCIB輸入到同一個(gè)DSP TMS320F2812中。

1.3 低速外部輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)

由于外部的輸入信號(hào)例如參數(shù)設(shè)置按鈕等輸入信號(hào)需要將其采集到DSP中，但只有3.3V的TTL電平才能被DSP TMS320F2812所識(shí)別，所以需要一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)化電路，該電路中采用了雙向光耦，很好的起到了隔離保護(hù)的作用，一旦由于電壓過(guò)大等意外，只需要更換光耦即可，防止DSP的接口也被燒壞。該電路采用的雙向光電耦合器的型號(hào)為東芝公司生產(chǎn)的TLP280-4/SOP-16，其中SOP-16為其封裝形式，該雙向光耦公共端既可以接24V，也可以接0V，使用非常方便，通過(guò)該電路將可以將低速信號(hào)轉(zhuǎn)化為3.3V的TTL信號(hào)，完成信號(hào)的轉(zhuǎn)化，其中電路中的電容起濾波作用。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后的TTL信號(hào)與輸出之間還需要一個(gè)隔離電路，該電路主要起的隔離保護(hù)的作用，該電路采用單向的光電耦合器，其型號(hào)為東芝公司生產(chǎn)的TLP181/SOP-4，其中SOP-4為其封裝形式，具體電路如圖3所示。

圖3 光耦隔離電路

1.4 智能功率模塊及隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

智能功率模塊簡(jiǎn)稱IPM模塊，是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵元件[3]，本系統(tǒng)采用 MITSUBISHI SEMICONDUCTOR 公司生產(chǎn)的第四代IPM模塊，型號(hào)為PS21767，該模塊的最大輸出電壓為600V，最大輸出電流為20A，輸出范圍廣，該模塊還具有短路保護(hù)及欠壓保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到欠壓或短路時(shí)，該模塊停止工作的同時(shí)，還通過(guò)FO引腳發(fā)出故障信號(hào)給DSP，DSP立即停止發(fā)送PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。

IPM模塊采用POWEREX公司生產(chǎn)的PS21767模塊，其周邊接口電路主要包括供電電路、故障信號(hào)輸出電路等。IPM的輸入信號(hào)電壓為15V，而PWM信號(hào)輸出電壓為5V，為了把不同的電壓信號(hào)隔離開(kāi)，抑制干擾，本系統(tǒng)使TMS320F2812的PWM信號(hào)先經(jīng)過(guò)光電耦合器，再輸入IPM模塊，選取光電耦合器型號(hào)為ACPL-P480，該款芯片具有傳播延遲短、共模抑制 (CMR) 能力高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于IPM接口隔離。

IPM模塊具有過(guò)壓、過(guò)流、欠壓等保護(hù)功能，當(dāng)這些情況發(fā)生時(shí)，IPM模塊輸出故障信號(hào)，然后輸入到DSP，為了將IPM信號(hào)與DSP隔離，防止干擾，需要故障信號(hào)隔離電路，具體電路如圖4所示。

圖4 故障信號(hào)光耦隔離電路

2 結(jié)論

本章首先簡(jiǎn)單介紹了選擇DSP TMS320F2812芯片的原因，完成了DSP的選型，其次詳細(xì)的說(shuō)明了工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、低速外部輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)、信號(hào)電平轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)、變送器電路設(shè)計(jì)、DSP及外圍接口電路設(shè)計(jì)、電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、智能功率模塊及隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、通訊接口電路設(shè)計(jì)、主回路整流電路設(shè)計(jì)、電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。

[1] 李開(kāi)生,張慧慧,費(fèi)仁元,等.機(jī)器人控制器體系結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 機(jī)器人,2012, 22(3):235-239.

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