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工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计(DSP选型、位置检测电路设计)

2018-10-09 17:27 技术知识

 

工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计
        为打破国外对我国工业机器人的技术垄断,我们必须自力更生,掌握高性能工业机器人的关键技术,并在原来的基础上有所创新。
 
         从二十世纪七十年代起至今,我国的工业机器人数量已经比较庞大,在机器人的某些技术方面也达到了世界先进水平,但总体来说,西方发达国家的工业机器人技术仍领先我国很多年。究其原因不难发现:我国研究工业机器人采取的方法主要是首先引进外国的先进技术,然后再对其进行二次开发,这就造成了我国自身创新技术比较少,严重制约了我国工业机器人产业化的发展。
 
        为打破国外对我国工业机器人的技术垄断,我们必须自力更生,掌握高性能工业机器人的关键技术,并在原来的基础上有所创新。由于工业机器人关节的执行器为电机,所以获得电机的良好控制效果是非常重要的,要想获得优良的电机控制性能,就需要高性能的交流伺服驱动系统,因此研制高性能的交流伺服驱动系统是工业机器人的关键技术之一。
 
       交流伺服驱动系统的硬件是软件设计的基础,所以本文的主要任务是根据工业机器人伺服驱动系统的特点,对系统的的硬件进行设计。
 
DSP的选型
 
        DSP系统硬件设计包括控制芯片的选择、主电路的驱动与保护、外围设备、逻辑电路等,它是整个控制系统设计的基础,DSP芯片又是重中之重。TMS320C5000系列DSP具有最低功耗的特点,是专门针对消费类数字市场而设计的,最低耗电只有0.33mA/MHz,所以多应用于日常生活中的消费产品,如照相机、手机等。

        TI公司的TMS320C6000系列拥有最高的处理能力,是一种适合采用C++/C等高级语言进行编程的数字处理器,主要应用在军事国防等高端领域。与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、集成度高等优点,是目前控制领域性能最高的处理器。其中,C28系列DSP是TMS320C2000平台中的新成员,它由C24系列DSP改进而来,是一款支持C/C++语言设计的芯片,C28系列DSP非常适合于工业控制,在算法控制上有独到的优势,是一款不可多得的微处理器,它的高效性可以使它代替任何其他处理器。

        C2000系列DSP不含Flash存储器,仅含只读存储器ROM;F2000系列DSP不仅内含ROM只读存储器,而且还包括Flash存储器,可以反复擦写,适合应用在产品的初期开发阶段。若采用TMS320C281x,则需要将代码交付生产厂商,把程序固化到TMS320C281x的ROM中,增加了成本,所以选择使用TMS320F281xDSP芯片。其中,TMS320F2812作为TI公司首推的芯片,具有很高的性价比。综上所述,最终选择DSP的型号为TMS320F2812。
工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计
位置检测电路设计
 
        这里中所采用的编码器为多摩川公司生产的型号为TS5668N21的17位绝对式编码器,一般的做法是采用生产厂商提供的专用芯片进行数据处理,但该做法有一个缺点,就是专用芯片的成本十分昂贵,与本文需要研制经济型的工业机器人宗旨相违背,为了降低成本,本文自己设计了将绝对式编码器信号转变为DSP能识别的串口信号电路。
 
        电感与光耦可以起到滤波和防浪涌的功能,由于该绝对式编码器输出的是差动信号,所以需要通过芯片SN65176BD(BDR)G4将绝对式编码器的差动信号转化为DSP可以识别的串口信号,即TTL信号,此外该芯片的供电电压为直流5V,所以该驱动系统还应该提供5V的直流电源,由于该工业机器人伺服驱动系统采用了利用一个DSP来控制两个永磁同步电机的想法,好处是降低成本,充分发挥了TMS320F2812的运算速度快及外设资源丰富的特点,所以两个电机的编码器信号分别通过串口SCIA和SCIB输入到同一个DSPTMS320F2812中。
 
低速外部输入信号转化电路设计
 
        由于外部的输入信号例如参数设置按钮等输入信号需要将其采集到DSP中,但只有3.3V的TTL电平才能被DSPTMS320F2812所识别,所以需要一个信号转化电路,该电路中采用了双向光耦,很好的起到了隔离保护的作用,一旦由于电压过大等意外,只需要更换光耦即可,防止DSP的接口也被烧坏。

        该电路采用的双向光电耦合器的型号为东芝公司生产的TLP280-4/SOP-16,其中SOP-16为其封装形式,该双向光耦公共端既可以接24V,也可以接0V,使用非常方便,通过该电路将可以将低速信号转化为3.3V的TTL信号,完成信号的转化,其中电路中的电容起滤波作用。
 
        经过转化后的TTL信号与输出之间还需要一个隔离电路,该电路主要起的隔离保护的作用,该电路采用单向的光电耦合器,其型号为东芝公司生产的TLP181/SOP-4,其中SOP-4为其封装形式。
 
智能功率模块及隔离驱动电路设计
 
        智能功率模块简称IPM模块,是一种将直流电转换为交流电的逆变器,是本系统的关键元件,本系统采用MITSUBISHISEMICONDUCTOR公司生产的第四代IPM模块,型号为PS21767,该模块的最大输出电压为600V,最大输出电流为20A,输出范围广,该模块还具有短路保护及欠压保护功能,当检测到欠压或短路时,该模块停止工作的同时,还通过FO引脚发出故障信号给DSP,DSP立即停止发送PWM信号,实现自我保护。
 
       IPM模块采用POWEREX公司生产的PS21767模块,其周边接口电路主要包括供电电路、故障信号输出电路等。IPM的输入信号电压为15V,而PWM信号输出电压为5V,为了把不同的电压信号隔离开,抑制干扰,本系统使TMS320F2812的。
 
       PWM信号先经过光电耦合器,再输入IPM模块,选取光电耦合器型号为ACPL-P480,该款芯片具有传播延迟短、共模抑制(CMR)能力高等优点,适合应用于IPM接口隔离。
 
       IPM模块具有过压、过流、欠压等保护功能,当这些情况发生时,IPM模块输出故障信号,然后输入到DSP,为了将IPM信号与DSP隔离,防止干扰,需要故障信号隔离电路。

 

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