工業機器人交流伺服驅動控制系統硬件的設計

　　摘要：從二十世紀七十年代起至今，我國的工業機器人數量已經比較龐大，在機器人的某些技術方面也達到了*水平，但總體來說，西方發達國家的工業機器人技術仍我國很多年。究其原因不難發現：我國研究工業機器人采取的方法主要是首先引進外國的*技術，然后再對其進行二次開發，這就造成了我國自身創新技術比較少，嚴重制約了我國工業機器人產業化的發展。
　　
　　為打破國外對我國工業機器人的技術壟斷，我們必須自力更生，掌握高性能工業機器人的關鍵技術，并在原來的基礎上有所創新。由于工業機器人關節的執行器為電機，所以獲得電機的良好控制效果是非常重要的，要想獲得優良的電機控制性能，就需要高性能的交流伺服驅動系統，因此研制高性能的交流伺服驅動系統是工業機器人的關鍵技術之一。
　　
　　交流伺服驅動系統的硬件是軟件設計的基礎，所以本文的主要任務是根據工業機器人伺服驅動系統的特點，對系統的的硬件進行設計。
　　
　　1、硬件設計
　　
　　1.1DSP的選型
　　
　　DSP系統硬件設計包括控制芯片的選擇、主電路的驅動與保護、外圍設備、邏輯電路等，它是整個控制系統設計的基礎，DSP芯片又是重中之重。TMS320C5000系列DSP具有zui低功耗的特點，是專門針對消費類數字市場而設計的，zui低耗電只有0.33mA/MHz，所以多應用于日常生活中的消費產品，如照相機、手機等。TI公司的TMS320C6000系列擁有zui高的處理能力，是一種適合采用C++/C等語言進行編程的數字處理器，主要應用在軍事國防等領域。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、集成度高等優點，是目前控制領域性能zui高的處理器。其中，C28系列DSP是TMS320C2000平臺中的新成員，它由C24系列DSP改進而來，是一款支持C/C++語言設計的芯片，C28系列DSP非常適合于工業控制，在算法控制上有獨到的優勢，是一款的微處理器，它的性可以使它代替任何其他處理器。C2000系列DSP不含Flash存儲器，僅含只讀存儲器ROM；F2000系列DSP不僅內含ROM只讀存儲器，而且還包括Flash存儲器，可以反復擦寫，適合應用在產品的初期開發階段。若采用TMS320C281x，則需要將代碼交付生產廠商，把程序固化到TMS320C281x的ROM中，增加了成本，所以選擇使用TMS320F281xDSP芯片。其中，TMS320F2812作為TI公司*的芯片，具有很高的性價比。綜上所述，zui終選擇DSP的型號為TMS320F2812。
　　
　　1.2位置檢測電路設計
　　
　　本文交流伺服電機中所采用的編碼器為多摩川公司生產的型號為TS5668N21的17位式編碼器，一般的做法是采用生產廠商提供的芯片進行數據處理，但該做法有一個缺點，就是芯片的成本十分昂貴，與本文需要研制經濟型的工業機器人宗旨相違背，為了降低成本，本文自己設計了將式編碼器信號轉變為DSP能識別的串口信號電路。
　　
　　電感與光耦可以起到濾波和防浪涌的功能，由于該式編碼器輸出的是差動信號，所以需要通過芯片SN65176BD(BDR)G4將式編碼器的差動信號轉化為DSP可以識別的串口信號，即TTL信號，此外該芯片的供電電壓為直流5V，所以該驅動系統還應該提供5V的直流電源，由于該工業機器人伺服驅動系統采用了利用一個DSP來控制兩個永磁同步電機的想法，好處是降低成本，充分發揮了TMS320F2812的運算速度快及外設資源豐富的特點，所以兩個電機的編碼器信號分別通過串口SCIA和SCIB輸入到同一個DSPTMS320F2812中。
　　
　　1.3低速外部輸入信號轉化電路設計
　　
　　由于外部的輸入信號例如參數設置按鈕等輸入信號需要將其采集到DSP中，但只有3.3V的TTL電平才能被DSPTMS320F2812所識別，所以需要一個信號轉化電路，該電路中采用了雙向光耦，很好的起到了隔離保護的作用，一旦由于電壓過大等意外，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為東芝公司生產的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，通過該電路將可以將低速信號轉化為3.3V的TTL信號，完成信號的轉化，其中電路中的電容起濾波作用。
　　
　　經過轉化后的TTL信號與輸出之間還需要一個隔離電路，該電路主要起的隔離保護的作用，該電路采用單向的光電耦合器，其型號為東芝公司生產的TLP181/SOP-4，其中SOP-4為其封裝形式。
　　
　　1.4智能功率模塊及隔離驅動電路設計
　　
　　智能功率模塊簡稱IPM模塊，是一種將直流電轉換為交流電的逆變器，是本系統的關鍵元件[3]，本系統采用MITSUBISHISEMICONDUCTOR公司生產的第四代IPM模塊，型號為PS21767，該模塊的zui大輸出電壓為600V，zui大輸出電流為20A，輸出范圍廣，該模塊還具有短路保護及欠壓保護功能，當檢測到欠壓或短路時，該模塊停止工作的同時，還通過FO引腳發出故障信號給DSP，DSP立即停止發送PWM信號，實現自我保護。
　　
　　IPM模塊采用POWEREX公司生產的PS21767模塊，其周邊接口電路主要包括供電電路、故障信號輸出電路等。IPM的輸入信號電壓為15V，而PWM信號輸出電壓為5V，為了把不同的電壓信號隔離開，抑制干擾，本系統使TMS320F2812的
　　
　　PWM信號先經過光電耦合器，再輸入IPM模塊，選取光電耦合器型號為ACPL-P480，該款芯片具有傳播延遲短、共模抑制(CMR)能力高等優點，適合應用于IPM接口隔離。
　　
　　IPM模塊具有過壓、過流、欠壓等保護功能，當這些情況發生時，IPM模塊輸出故障信號，然后輸入到DSP，為了將IPM信號與DSP隔離，防止干擾，需要故障信號隔離電路。
　　
　　2結論
　　
　　本章首先簡單介紹了選擇DSPTMS320F2812芯片的原因，完成了DSP的選型，其次詳細的說明了工業機器人伺服驅動系統的硬件設計，包括位置檢測電路設計、低速外部輸入信號轉化電路設計、信號電平轉化電路設計、變送器電路設計、DSP及外圍接口電路設計、電壓轉換電路設計、智能功率模塊及隔離驅動電路設計、電源系統電路設計、通訊接口電路設計、主回路整流電路設計、電流檢測電路設計。