直流无刷电机关节伺服系统方案

来源:未知日期:2018/02/26 23:30 浏览:
一、 主要任务目标与性能

每个关节控制器和一台直流无刷电机、驱动、检测反馈装置等构成一个位置伺服系统,负责机器人某一个关节变量的具体控制任务,满足关节位置伺服及相应的负载要求。具有较高可靠性,稳定性,抗过载,故障自处理,易安装调试,通用及个性化设计结合等特点。

1. 工作情况
工作电压范围56-36V;
电压状态检测;

2. 稳态指标
关节在末端定位误差为0.5mm(暂定);

3. 动态指标
过渡时间为0.2s(暂定);

4. 过载情况
短时3倍过载;

5. 通讯要求
485总线通讯,100Hz接受上层指令及回传状态信息;

二、 方案设计

1. 系统概述
图1 系统框图

2. 电机及传感器

直流无刷电机采购于MAXON公司EC40系列,170W,产品编号393025,具体指标如下:
•额定电压:48V;
•空载转速:9840RPM;
•空载电流:0.193A;
•额定转速:9150RPM;
•额定转矩:0.165Nm;
•额定电流:3.69A;
•堵转转矩:2.76Nm;
•堵转电流:59.6A;
•极对数:1;
传感器为霍尔传感器+选配光电编码器组合,光电编码器为 1024线差分输出。
其他型号电机:
EC22,EC22-MAX,EC-4POLE30

3. 硬件方案

a. CPU选型
TMS320F28035PA
b. 电源电路
c. 驱动电路
DRV8301,MOS管选择,电流采样电阻选择,性能参数,
d. 通讯接口
e. JTAG口处理
参照以前方案,外接转接头
f. 传感器处理电路,霍尔信号,光电编码器ABI信号
g. 外部FLASH,I2C接口连接;
4. 软件方案
a. CPU接口


图 CPU接口

b. 软件实现功能主要包括:
(1)实现电机驱动算法,实时位置闭环控制,10kHz计算频率,
(2)读取电机位置传感器霍尔和光电编码器,解算电机位置和速度;读取输出轴端磁编码器,解算输出端位置;读取两相电流采样信息;
(3)进行通讯任务,中断接收位置指令,并反馈上层所需信息;
(4)子系统状态检测及故障处理,实时检测过流,过压,过温,芯片故障,通讯故障等,及时进行保护处理;
(5)关于短时过载的情况:允许短时2-3倍过载,
c.程序流程图如下:


图  主函数流程

 
系统上电后,程序首先进行初始化,配置28035芯片系统及外设模块;SPI复用端片选驱动芯片8301后,设置8301的参数,包括反馈故障状态,电流放大倍数等;SPI复用端口片选改为输出端磁编码器AS5045B,及相关SPI配置修改;初始化中断和参数,包括ADC主中断和串口接收中断,算法控制参数和系统状态参数;然后进入循环等待中断处理。


图 ADC主中断流程

ADC中断为主要处理中断,进行算法计算任务,中断由10kHzPWM调制波同步触发,时刻为驱动电路下管导通的中间时刻;中断开始后,读取各反馈信息,包括磁编码器、霍尔及光电编码器、电流采样,并进行数据处理;检测系统各部分运行状态,如母线电压,电流,驱动芯片故障信号,进行故障处理,不使能驱动芯片,初始化各占空比及算法参数,不进行正常闭环计算,输出故障信息报警;判断运行状态,系统包括两个工作状态,初始状态即所有量处于初始化值,占空比不输出,和运行状态,即进行正常闭环计算;闭环控制算法实现电机驱动,三闭环调节,输出占空比;


数据读取函数包括归一化处理,解算角度,电机初始由三相霍尔信号驱动,提供不精确的位置反馈,输出轴则由磁编码器读取得到,待光电编码器过参考点后,得到绝对角度,改由ABI光电信号进行电机驱动反馈和输出轴解算,计算电机转速 ;


闭环控制函数中,进行主要电机控制算法的实现,本方案采用矢量控制作为电机驱动算法,进行电流Id,Iq,速度和位置闭环,PI调节,实现关节系统的伺服控制。


通讯中断,从通讯中转芯片接收指令帧,针对帧结构设置FIFO深度,以触发接收中断,处理指令帧数据,赋值位置指令,并按要求发送所需信息。

5. 结构方案

6. 接口定义

(1) 软硬件接口定义


  TMS320F28035PA GPIO分配表  
分类 GPIO口 配置 备注
JTAG TRST    
GPIO35 TDI  
GPIO36 TMS  
GPIO37 TDO  
GPIO38 TCK  
Epwm GPIO0 EPWM1A  
GPIO1 EPWM1B  
GPIO2 EPWM2A  
GPIO3 EPWM2B  
GPIO4 EPWM3A  
GPIO5 EPWM3B  
复用SPI GPIO16 SIMO  
GPIO17 SOMI 数据输入,复用
GPIO18 SPICLK 数据时钟,复用
GPIO19 SPISTEA DRV8301的片选
GPIO22 CS2 磁编码器的片选,输出
QEP和三路霍尔 GPIO20 QEPA  
GPIO21 QEPB  
GPIO23 QEPI  
GPIO10 HALL_U 输入
GPIO11 HALL_V 输入
GPIO12 HALL_W 输入
SCI GPIO28 RX  
GPIO29 TX  
I2C GPIO32 SDAA I2C 数据开漏双向端口
GPIO33 SCLA I2C 时钟开漏双向端口
其他IO GPIO6   8301FAULT,输入
GPIO7   8301OCTM,输入
GPIO8   8301EN,输出
GPIO9   8301OC,输出
ADC A0   Ia
A1   Ib
A2   Vdc

注:
剩余通用IO,可调整
GPIO6
GPIO7
GPIO8
GPIO9
GPIO10
GPIO11
GPIO12
GPIO22
GPIO24
GPIO30
GPIO31
 
(2) 电源接口
(3) 调试接口
预留SCI接口,用于串口调试和通讯方案调试;
将JTAG口最小化,外插仿真器转换头。

7. 通讯

通讯方式:422
通讯任务:100Hz接收上层指令,向上回传状态信息,包括位置,电流,电压,运行状态,故障情况等;
通讯格式:
422通讯,全双工,下位机接收指令,然后发送需反馈的信息,不主动向上发送数据。
422转USB线,FTDI芯片,配套QT函数
协议暂定:
(1) 指令:a修改参数帧结构:AA 配置位 数据(4字节)校验位
配置位:是否修改参数 是否写入 参数指向2位(loc,spd,Id,Iq四种)


7 6 5 4 3 2 1 0
  0:PI
1:指令
0:P
1:I
参数指向
0:loc 1:spd
2:Id 3:Iq
是否写入 是否修改参数 帧类型1
 
7 6 5 4 3 2 1 0
      反馈指向
0:loc 1:spd
2:Id 3:Iq
    帧类型0
 
b正常运行帧结构(或不用):AA 配置位 校验位 
(2)反馈:55 状态位 反馈变量1(2字节) 反馈变量2(2字节) 校验位
反馈变量1,2为16位有符号整形数,绘出其值。
状态位: 驱动故障 过流 母线电压


7 6 5 4 3 2 1 0
          驱动故障 过流 母线电压
 


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