工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计

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。

图1 系统的硬件框图

1 硬件设计

1.1 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DSPTMS320F2812中。