基于CAN總線的機(jī)器人數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器

黎安慶　施智雄　唐飛龍

【摘 要】現(xiàn)在大多使用以模擬電路為主體的驅(qū)動(dòng)器，穩(wěn)定性較差，容易受到機(jī)器人自身或外部的電磁干擾，本文使用了CAN總線應(yīng)用于數(shù)字式伺服系統(tǒng)上，使用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)來(lái)控制伺服系統(tǒng)的工作。經(jīng)測(cè)試數(shù)據(jù)證明，該伺服系統(tǒng)可穩(wěn)定工作于位置模式或速度模式下。

【關(guān)鍵詞】CAN總線;伺服系統(tǒng);機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）21-0047-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.021

0 引言

伺服系統(tǒng)是指能夠按照給定速度、位置指令運(yùn)行的隨動(dòng)系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器的作用是監(jiān)測(cè)電機(jī)參數(shù)，并據(jù)此按照一定的控制方法控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器以模擬信號(hào)作為輸入控制信號(hào)，內(nèi)部采用模擬電路完成電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的運(yùn)行，從而控制伺服電機(jī)工作[1]。而數(shù)字伺服系統(tǒng)相對(duì)模擬系統(tǒng)由于采用數(shù)字計(jì)算的方式完成三個(gè)環(huán)路的運(yùn)算，具備高精度、高可靠性、可利用軟件靈活調(diào)整參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代模擬伺服系統(tǒng)。不僅如此，伺服系統(tǒng)的通信方式上，模擬接口也逐步由數(shù)字接口取代。在數(shù)字接口當(dāng)中，總線方式的接口具備接線簡(jiǎn)單、連接伺服系統(tǒng)臺(tái)數(shù)多和系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[2]。

其具備抗干擾能力強(qiáng)，線路鋪設(shè)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳荚O(shè)靈活，網(wǎng)絡(luò)延遲短等優(yōu)點(diǎn)[3]。機(jī)器人系統(tǒng)一般由多套伺服系統(tǒng)構(gòu)成。因此，構(gòu)成機(jī)器人的伺服系統(tǒng)非常適合采用CAN總線，以簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)，并提高可靠性和實(shí)時(shí)性。

1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)由三個(gè)控制環(huán)路構(gòu)成如圖2所示：電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等控制。位置環(huán)的作用為控制電機(jī)轉(zhuǎn)子盡量停止在指定位置，其運(yùn)算結(jié)果傳遞給速度環(huán);速度環(huán)則控制電機(jī)盡量按給定指令旋轉(zhuǎn)，該環(huán)路運(yùn)算結(jié)果作為電流環(huán)的輸入指令;電流環(huán)則根據(jù)指令控制流過(guò)電機(jī)的電流。三個(gè)環(huán)路均使用PID算法進(jìn)行控制。

該伺服系統(tǒng)使用CAN總線通信，用于根據(jù)主控制器指令與其他伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。

2 數(shù)字伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該伺服系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上分為中央運(yùn)算模塊、通信模塊、電流檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。

2.1 中央運(yùn)算模塊

中央運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)伺服系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算及驅(qū)動(dòng)控制。STM32F103單片機(jī)由于具備Cortex-M3處理器，最高可運(yùn)行于72MHz頻率，可滿足運(yùn)算要求。36路GPIO引腳，1個(gè)CAN總線控制單元，1個(gè)10位ADC轉(zhuǎn)換單元，可滿足本設(shè)計(jì)需求。

2.2 CAN通信模塊

CAN總線通信部分以NXP-A1051/3芯片為主構(gòu)建。NXP-A1051/3是一款高速CAN總線收發(fā)器，最高可支持1Mbit/S的收發(fā)速率。該芯片可與STM32的CAN總線控制器構(gòu)成完整的CAN總線系統(tǒng)。

2.3 電流檢測(cè)模塊

電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)流過(guò)電機(jī)的電流，電流環(huán)路根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，以PID控制方法使流過(guò)電機(jī)的電流值精確控制在指令需要的電流值附近。該模塊使用WCS2705芯片檢測(cè)電流值。該芯片使用了低偏置性霍爾傳感器電路，所以輸出電壓與輸入電流具備較好的線性度，具有較低的8.3mΩ內(nèi)阻，在工作時(shí)功耗低，發(fā)熱量低。因此非常適合用于伺服系統(tǒng)電流環(huán)的檢測(cè)。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于根據(jù)CPU發(fā)出的信號(hào)，以PWM方式導(dǎo)通電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)部分采用兩級(jí)方式驅(qū)動(dòng)，由S21867芯片構(gòu)成第一級(jí)驅(qū)動(dòng)，該級(jí)驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)直接控制。第一級(jí)驅(qū)動(dòng)再驅(qū)動(dòng)由068N10N構(gòu)成的第二級(jí)驅(qū)動(dòng)工作。這樣設(shè)計(jì)有兩個(gè)原因：其一，單片機(jī)GPIO高電平電壓只能達(dá)到3.3V，不能直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管;再者，第二級(jí)驅(qū)動(dòng)工作電路正常工作電壓為24V，單片機(jī)引腳需要與該電路隔離以保證安全。S21867由于可輸出10v至20v的驅(qū)動(dòng)電壓，輸入端具備鉗位二極管電路可保證輸入端不引入高壓，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

該伺服系統(tǒng)有兩種模式工作，速度模式和位置模式。在速度模式下，該系統(tǒng)輸入的信號(hào)為速度指令，伺服系統(tǒng)位置環(huán)路不工作，速度環(huán)按CAN總線給定的指令進(jìn)行工作，現(xiàn)以三組代表性數(shù)據(jù)為例進(jìn)行具體說(shuō)明，速度模式下數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)圖3所示，在15秒到25秒期間，轉(zhuǎn)速指令為2700脈沖/秒，實(shí)際速度為2700±260脈沖/秒速，可以得出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2700轉(zhuǎn)附近，波動(dòng)在10%以內(nèi)。

在位置模式下，伺服系統(tǒng)的速度環(huán)按照位置環(huán)運(yùn)算得到的指令工作，使電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在給定指令的位置上?，F(xiàn)以三組代表性數(shù)據(jù)為例進(jìn)行具體說(shuō)明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

根據(jù)圖4所示，在第3秒至7秒時(shí)間時(shí)間段上，指令設(shè)定伺服系統(tǒng)停止在70000脈沖附近，實(shí)際情況為該系統(tǒng)帶恒定負(fù)載停止在70000±200脈沖位置上，可以看出系統(tǒng)定位能力好。

4 總結(jié)

以CAN總線作為通信總線，可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅@樣可以使伺服系統(tǒng)分別穩(wěn)定地工作在位置模式或速度模式下，可以同時(shí)滿足輪式機(jī)器人的轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制要求。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]陳磊.從現(xiàn)場(chǎng)總線到工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題研究[D].浙江大學(xué)，2004.