工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件的设计

工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件的设计

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，工业机器人维修，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，ABB机器人维修，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。

1、硬件设计

1.1dsp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。

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。[1][2]

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。

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，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，工业机器人维修，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。

2结论

本章首先简单介绍了选择dsptms320f2812芯片的原因，完成了dsp的选型，其次详细的说明了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、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][2]