基于DSP2812的運動控制平臺

在大二的時候我加入到了學(xué)院的創(chuàng)新實驗室，加入實驗室后每天都很努力，怕學(xué)習(xí)不好表現(xiàn)不好會被導(dǎo)師趕出去，每天早上7點簽到，然后就開始學(xué)習(xí)英語，如果有課就在8點去上課，沒課就開始學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課;晚上必須在實驗室待到10點以后才能回寢室，每個假期只能回家一周多，所以從大二開始我就沒有了寒暑假，這些都是導(dǎo)師的要求，也是工作室每個成員必須做到的。大二導(dǎo)師主要抓模數(shù)電和單片機(jī)，記得曾經(jīng)做過OCL模擬功放，數(shù)字功放，電源等一些模擬類設(shè)計，并以音質(zhì)和效率進(jìn)行評比;用單片機(jī)做過一些多功能數(shù)字鐘，紅外解碼等一些作品，數(shù)字鐘以運行一天誰的誤差最小來評比。

到了大三，我們每個人根據(jù)自己的興趣愛好選擇了自己的方向，我們實驗室一直以來都是以FPGA為主打方向的，很多人選擇了FPGA，而我卻選擇了DSP，實驗室?guī)熜肿鯠SP的也幾乎沒有，我就成立孤軍奮戰(zhàn)。接下來湊了1000元買了開發(fā)板，開始接觸DSP，剛開始的入門真的遇到了很多的問題，總是踏不進(jìn)那個門檻，一個人的鉆研會浪費更多的時間，但每個問題讓人記憶猶新，如今論壇上很多剛接觸DSP的網(wǎng)友遇到的問題也就是當(dāng)初我遇到過的。

基本熟悉了DSP2812后我做的第一個設(shè)計就是2011年中國機(jī)器人大賽項目中的機(jī)器人游中國小車，整個車體的硬件單路都是我們自己設(shè)計，畫PCB并用學(xué)院的PCB刻板機(jī)花一夜的時間做出來，焊接調(diào)試，可能是由于設(shè)計的不合理和保護(hù)做的不是很好，燒壞過2塊核心板;第二個設(shè)計就是我要快樂分享的運動控制平臺的設(shè)計，下面就是我的設(shè)計：

設(shè)計以TMS320F2812為控制器，結(jié)合其控制方便、處理速度快等特點，運用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，設(shè)計了兼有PWM和模擬量控制的直流無刷電動機(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)計方法。系統(tǒng)中的主要控制對象是直流無刷電機(jī)，還有磁粉制動器作為電機(jī)的模擬負(fù)載，下面簡單介紹一下直流無刷電機(jī)和磁粉制動器：

直流無刷電機(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，而且又具有交流電機(jī)的結(jié)果簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，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。磁粉制動器是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的。磁粉制動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)時可以通過調(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)。

在整個運動控制平臺硬件系統(tǒng)中，系統(tǒng)供電電路主要有DCDC模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)給各個電路模塊提供工作電源，其輸出電壓有±15V，+12V，+5V，+3.3V。信號調(diào)理電路完成對各種傳感器及采集回來的信號處理，主要包括霍爾電流傳感器的模擬量信號、光電編碼器的轉(zhuǎn)速信號、給定控制開關(guān)量信號等，經(jīng)調(diào)理電路后，使其各種信號的電平和幅值滿足DSP控制器的要求;DSP主控電路以TMS320F2812為核心處理器，完成對各種信號的處理以及系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并通過SCI接口實現(xiàn)控制器與上位機(jī)的通訊;恒流源為磁粉制動器提供電流，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)動器是由分立元器件H橋搭起來的，沒有采用半橋驅(qū)動芯片如IR2101等芯片，使用三極管搭建的并有一定的硬件死區(qū)作用;我覺得做H橋驅(qū)動器最重要的就是上橋臂的浮動導(dǎo)通，這一點一定要做好，在電機(jī)驅(qū)動中，由于電流較大，上管都采用N型MOSFET。由于每個上管源極的電壓是浮動的，因此上管的柵極驅(qū)動電壓也必須浮置在源極的電壓之上才能有效地開啟上管。實現(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)動法等多種方法。本次設(shè)計采用電荷泵法來實現(xiàn)電壓的浮動，主要電路如下如所示：

電荷泵的基本原理是通過電容對電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。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)計中的應(yīng)用越來越廣泛。由于H橋由4個N溝道功率MOSFET組成，如要控制各個MOSFET，各MOSFET的門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，其門極電壓一般在10V以上，即Vgs>10V,對于H橋下橋臂，直接加10V以上的電壓即可使其導(dǎo)通;而對于上橋臂，驅(qū)動電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅(qū)動電路中增設(shè)升壓電路，提供高于柵極的電壓。考慮到Vgs有上限要求，一般MOSFET導(dǎo)通時Vgs為10V~15V，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即浮動?xùn)膨?qū)動。因此在驅(qū)動控制電路中設(shè)計電荷泵電路，用于提供高于驅(qū)動電源電壓的電壓。

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