基于DSP2812的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)

在大二的時(shí)候我加入到了學(xué)院的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，加入實(shí)驗(yàn)室后每天都很努力，怕學(xué)習(xí)不好表現(xiàn)不好會(huì)被導(dǎo)師趕出去，每天早上7點(diǎn)簽到，然后就開(kāi)始學(xué)習(xí)英語(yǔ)，如果有課就在8點(diǎn)去上課，沒(méi)課就開(kāi)始學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課;晚上必須在實(shí)驗(yàn)室待到10點(diǎn)以后才能回寢室，每個(gè)假期只能回家一周多，所以從大二開(kāi)始我就沒(méi)有了寒暑假，這些都是導(dǎo)師的要求，也是工作室每個(gè)成員必須做到的。大二導(dǎo)師主要抓模數(shù)電和單片機(jī)，記得曾經(jīng)做過(guò)OCL模擬功放，數(shù)字功放，電源等一些模擬類(lèi)設(shè)計(jì)，并以音質(zhì)和效率進(jìn)行評(píng)比;用單片機(jī)做過(guò)一些多功能數(shù)字鐘，紅外解碼等一些作品，數(shù)字鐘以運(yùn)行一天誰(shuí)的誤差最小來(lái)評(píng)比。

到了大三，我們每個(gè)人根據(jù)自己的興趣愛(ài)好選擇了自己的方向，我們實(shí)驗(yàn)室一直以來(lái)都是以FPGA為主打方向的，很多人選擇了FPGA，而我卻選擇了DSP，實(shí)驗(yàn)室?guī)熜肿鯠SP的也幾乎沒(méi)有，我就成立孤軍奮戰(zhàn)。接下來(lái)湊了1000元買(mǎi)了開(kāi)發(fā)板，開(kāi)始接觸DSP，剛開(kāi)始的入門(mén)真的遇到了很多的問(wèn)題，總是踏不進(jìn)那個(gè)門(mén)檻，一個(gè)人的鉆研會(huì)浪費(fèi)更多的時(shí)間，但每個(gè)問(wèn)題讓人記憶猶新，如今論壇上很多剛接觸DSP的網(wǎng)友遇到的問(wèn)題也就是當(dāng)初我遇到過(guò)的。

基本熟悉了DSP2812后我做的第一個(gè)設(shè)計(jì)就是2011年中國(guó)機(jī)器人大賽項(xiàng)目中的機(jī)器人游中國(guó)小車(chē)，整個(gè)車(chē)體的硬件單路都是我們自己設(shè)計(jì)，畫(huà)PCB并用學(xué)院的PCB刻板機(jī)花一夜的時(shí)間做出來(lái)，焊接調(diào)試，可能是由于設(shè)計(jì)的不合理和保護(hù)做的不是很好，燒壞過(guò)2塊核心板;第二個(gè)設(shè)計(jì)就是我要快樂(lè)分享的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)，下面就是我的設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)以TMS320F2812為控制器，結(jié)合其控制方便、處理速度快等特點(diǎn)，運(yùn)用PID算法進(jìn)行速度環(huán)調(diào)節(jié)，500線光電編碼器進(jìn)行速度的反饋，變M/T法進(jìn)行速度的精確采集，霍爾電流傳感器進(jìn)行電流的采集和繼電器確保過(guò)流的斷電保護(hù)，可控恒流源控制負(fù)載大小，VB6.0可視化控制界面的編寫(xiě)，設(shè)計(jì)了兼有PWM和模擬量控制的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)閉環(huán)在線調(diào)試系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的功能、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)中的主要控制對(duì)象是直流無(wú)刷電機(jī)，還有磁粉制動(dòng)器作為電機(jī)的模擬負(fù)載，下面簡(jiǎn)單介紹一下直流無(wú)刷電機(jī)和磁粉制動(dòng)器：

直流無(wú)刷電機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此使這種電機(jī)不僅保留了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電機(jī)的結(jié)果簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，使它一出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及，廣泛應(yīng)用于航空航天，精密儀器，現(xiàn)代家電等領(lǐng)域。磁粉制動(dòng)器是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的。磁粉制動(dòng)器具有激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系，作為電機(jī)的模擬負(fù)載，在調(diào)試閉環(huán)參數(shù)時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)恒流源的電流大小去控制負(fù)載的大小，從而找出最佳閉環(huán)系數(shù)。

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)硬件系統(tǒng)中，系統(tǒng)供電電路主要有DCDC模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)給各個(gè)電路模塊提供工作電源，其輸出電壓有±15V，+12V，+5V，+3.3V。信號(hào)調(diào)理電路完成對(duì)各種傳感器及采集回來(lái)的信號(hào)處理，主要包括霍爾電流傳感器的模擬量信號(hào)、光電編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)、給定控制開(kāi)關(guān)量信號(hào)等，經(jīng)調(diào)理電路后，使其各種信號(hào)的電平和幅值滿足DSP控制器的要求;DSP主控電路以TMS320F2812為核心處理器，完成對(duì)各種信號(hào)的處理以及系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并通過(guò)SCI接口實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的通訊;恒流源為磁粉制動(dòng)器提供電流，以便輸出與電流成線性關(guān)系的扭矩。下面是我畫(huà)的大體框圖：其中2812核心板原理圖、PCB、BOM表和Gerber都已經(jīng)分享到了論壇版塊 http://bbs.21ic.com/icview-583101-1-1.html

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是由分立元器件H橋搭起來(lái)的，沒(méi)有采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片如IR2101等芯片，使用三極管搭建的并有一定的硬件死區(qū)作用;我覺(jué)得做H橋驅(qū)動(dòng)器最重要的就是上橋臂的浮動(dòng)導(dǎo)通，這一點(diǎn)一定要做好，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，由于電流較大，上管都采用N型MOSFET。由于每個(gè)上管源極的電壓是浮動(dòng)的，因此上管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓也必須浮置在源極的電壓之上才能有效地開(kāi)啟上管。實(shí)現(xiàn)這種的方法有多種，如自舉法、隔離電壓法、脈沖變壓器法、電荷泵法、載法驅(qū)動(dòng)法等多種方法。本次設(shè)計(jì)采用電荷泵法來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的浮動(dòng)，主要電路如下如所示：

電荷泵的基本原理是通過(guò)電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢(shì)流向高電勢(shì)。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗，低成本的考慮，電荷泵在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于H橋由4個(gè)N溝道功率MOSFET組成，如要控制各個(gè)MOSFET，各MOSFET的門(mén)極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導(dǎo)通，其門(mén)極電壓一般在10V以上，即Vgs>10V,對(duì)于H橋下橋臂，直接加10V以上的電壓即可使其導(dǎo)通;而對(duì)于上橋臂，驅(qū)動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)升壓電路，提供高于柵極的電壓?？紤]到Vgs有上限要求，一般MOSFET導(dǎo)通時(shí)Vgs為10V~15V，也就是控制門(mén)極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)。因此在驅(qū)動(dòng)控制電路中設(shè)計(jì)電荷泵電路，用于提供高于驅(qū)動(dòng)電源電壓的電壓。

最近看到電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)器上為了擴(kuò)大電流，在H橋上使用的75NF75上又并聯(lián)了一個(gè)，這樣電流會(huì)更大，可靠性也更高，值得借鑒。下上橋驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：