工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计

刘瑞涛

（石家庄职业技术学院，石家庄 050081）

0 引言

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，系统硬件的框图如图1所示。

1 硬件设计

1.1 DSP的选型

图1 系统的硬件框图

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TMS320F281x DSP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。

1.2 位置检测电路设计

本文交流伺服电机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，如图2所示。

图2 位置检测电路

图2中的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DSP TMS320F2812中。

1.3 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DSP TMS320F2812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，具体电路如图3所示。

图3 光耦隔离电路

1.4 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[3]，本系统采用 MITSUBISHI SEMICONDUCTOR 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，具体电路如图4所示。

图4 故障信号光耦隔离电路

2 结论

本章首先简单介绍了选择DSP TMS320F2812芯片的原因，完成了DSP的选型，其次详细的说明了工业机器人伺服驱动系统的硬件设计，包括位置检测电路设计、低速外部输入信号转化电路设计、信号电平转化电路设计、变送器电路设计、DSP及外围接口电路设计、电压转换电路设计、智能功率模块及隔离驱动电路设计、电源系统电路设计、通讯接口电路设计、主回路整流电路设计、电流检测电路设计。

[1] 李开生,张慧慧,费仁元,等.机器人控制器体系结构研究的现状和发展[J]. 机器人,2012, 22(3):235-239.

[2] 杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师,2012,23(5):8-10.

[3] 曹文祥,冯雪梅.工业机器人研究现状及发展趋势[J].机械制造,2011,49(558):41-43.

[4] 秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉:华中理工出版社,2012:1-3.