基于CAN總線的機器人數(shù)字式伺服驅(qū)動器

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)動器，穩(wěn)定性較差，容易受到機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)來控制伺服系統(tǒng)的工作。經(jīng)測試數(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);機器人運動控制

中圖分類號： TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 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、位置指令運行的隨動系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，驅(qū)動器的作用是監(jiān)測電機參數(shù)，并據(jù)此按照一定的控制方法控制電機運動。傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動器以模擬信號作為輸入控制信號，內(nèi)部采用模擬電路完成電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的運行，從而控制伺服電機工作[1]。而數(shù)字伺服系統(tǒng)相對模擬系統(tǒng)由于采用數(shù)字計算的方式完成三個環(huán)路的運算，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，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)字接口當中，總線方式的接口具備接線簡單、連接伺服系統(tǒng)臺數(shù)多和系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)點[2]。

其具備抗干擾能力強，線路鋪設(shè)簡單，網(wǎng)絡(luò)拓撲布設(shè)靈活，網(wǎng)絡(luò)延遲短等優(yōu)點[3]。機器人系統(tǒng)一般由多套伺服系統(tǒng)構(gòu)成。因此，構(gòu)成機器人的伺服系統(tǒng)非常適合采用CAN總線，以簡化控制電路的設(shè)計，并提高可靠性和實時性。

1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)由三個控制環(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)的作用為控制電機轉(zhuǎn)子盡量停止在指定位置，其運算結(jié)果傳遞給速度環(huán);速度環(huán)則控制電機盡量按給定指令旋轉(zhuǎn)，該環(huán)路運算結(jié)果作為電流環(huán)的輸入指令;電流環(huán)則根據(jù)指令控制流過電機的電流。三個環(huán)路均使用PID算法進行控制。

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

該伺服系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上分為中央運算模塊、通信模塊、電流檢測模塊、電機驅(qū)動模塊等組成。

2.1 中央運算模塊

中央運算模塊負責伺服系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算及驅(qū)動控制。STM32F103單片機由于具備Cortex-M3處理器，最高可運行于72MHz頻率，可滿足運算要求。36路GPIO引腳，1個CAN總線控制單元，1個10位ADC轉(zhuǎn)換單元，可滿足本設(shè)計需求。

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 電流檢測模塊

電流檢測模塊用于檢測流過電機的電流，電流環(huán)路根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，以PID控制方法使流過電機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。

2.4 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊用于根據(jù)CPU發(fā)出的信號，以PWM方式導(dǎo)通電流，驅(qū)動電機。該驅(qū)動部分采用兩級方式驅(qū)動，由S21867芯片構(gòu)成第一級驅(qū)動，該級驅(qū)動由單片機直接控制。第一級驅(qū)動再驅(qū)動由068N10N構(gòu)成的第二級驅(qū)動工作。這樣設(shè)計有兩個原因：其一，單片機GPIO高電平電壓只能達到3.3V，不能直接驅(qū)動場效應(yīng)管;再者，第二級驅(qū)動工作電路正常工作電壓為24V，單片機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)計要求。

3 實測數(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總線給定的指令進行工作，現(xiàn)以三組代表性數(shù)據(jù)為例進行具體說明，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，實際速度為2700±260脈沖/秒速，可以得出伺服電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2700轉(zhuǎn)附近，波動在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)運算得到的指令工作，使電機轉(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)為例進行具體說明，實測數(shù)據(jù)如圖4所示。

根據(jù)圖4所示，在第3秒至7秒時間時間段上，指令設(shè)定伺服系統(tǒng)停止在70000脈沖附近，實際情況為該系統(tǒng)帶恒定負載停止在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，可以實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的實時數(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，可以同時滿足輪式機器人的轉(zhuǎn)向及驅(qū)動系統(tǒng)控制要求。

【參考文獻】

[1]覃海濤.交流伺服系統(tǒng)自調(diào)整技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2011.

[2]劉曙光.現(xiàn)場總線技術(shù)的進展與展望[J].自動化與儀表，2000（03）：3-8.

[3]陳磊.從現(xiàn)場總線到工業(yè)以太網(wǎng)的實時性問題研究[D].浙江大學(xué)，2004.