基于CAN總線的機器人數字式伺服驅動器

黎安慶　施智雄　唐飛龍

【摘 要】現在大多使用以模擬電路為主體的驅動器，穩定性較差，容易受到機器人自身或外部的電磁干擾，本文使用了CAN總線應用于數字式伺服系統上，使用電流環、速度環、位置環來控制伺服系統的工作。經測試數據證明，該伺服系統可穩定工作于位置模式或速度模式下。

【關鍵詞】CAN總線;伺服系統;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

伺服系統是指能夠按照給定速度、位置指令運行的隨動系統。在伺服系統中，驅動器的作用是監測電機參數，并據此按照一定的控制方法控制電機運動。傳統的伺服驅動器以模擬信號作為輸入控制信號，內部采用模擬電路完成電流環、速度環、位置環的運行，從而控制伺服電機工作[1]。而數字伺服系統相對模擬系統由于采用數字計算的方式完成三個環路的運算，具備高精度、高可靠性、可利用軟件靈活調整參數等優點，逐漸取代模擬伺服系統。不僅如此，伺服系統的通信方式上，模擬接口也逐步由數字接口取代。在數字接口當中，總線方式的接口具備接線簡單、連接伺服系統臺數多和系統響應速度快等優點[2]。

其具備抗干擾能力強，線路鋪設簡單，網絡拓撲布設靈活，網絡延遲短等優點[3]。機器人系統一般由多套伺服系統構成。因此，構成機器人的伺服系統非常適合采用CAN總線，以簡化控制電路的設計，并提高可靠性和實時性。

1 伺服控制系統結構

伺服系統由三個控制環路構成如圖2所示：電流環、速度環、位置環等控制。位置環的作用為控制電機轉子盡量停止在指定位置，其運算結果傳遞給速度環;速度環則控制電機盡量按給定指令旋轉，該環路運算結果作為電流環的輸入指令;電流環則根據指令控制流過電機的電流。三個環路均使用PID算法進行控制。

該伺服系統使用CAN總線通信，用于根據主控制器指令與其他伺服系統協同工作。

2 數字伺服系統硬件設計

該伺服系統在硬件構成上分為中央運算模塊、通信模塊、電流檢測模塊、電機驅動模塊等組成。

2.1 中央運算模塊

中央運算模塊負責伺服系統的數據運算及驅動控制。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轉換單元，可滿足本設計需求。

2.2 CAN通信模塊

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

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，電流環路根據檢測數據，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內阻，在工作時功耗低，發熱量低。因此非常適合用于伺服系統電流環的檢測。

2.4 電機驅動模塊

電機驅動模塊用于根據CPU發出的信號，以PWM方式導通電流，驅動電機。該驅動部分采用兩級方式驅動，由S21867芯片構成第一級驅動，該級驅動由單片機直接控制。第一級驅動再驅動由068N10N構成的第二級驅動工作。這樣設計有兩個原因：其一，單片機GPIO高電平電壓只能達到3.3V，不能直接驅動場效應管;再者，第二級驅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，因此滿足設計要求。

3 實測數據及分析

該伺服系統有兩種模式工作，速度模式和位置模式。在速度模式下，該系統輸入的信號為速度指令，伺服系統位置環路不工作，速度環按CAN總線給定的指令進行工作，現以三組代表性數據為例進行具體說明，速度模式下數據如圖3所示。

根據圖3所示，在15秒到25秒期間，轉速指令為2700脈沖/秒，實際速度為2700±260脈沖/秒速，可以得出伺服電機轉速穩定在2700轉附近，波動在10%以內。

在位置模式下，伺服系統的速度環按照位置環運算得到的指令工作，使電機轉子穩定在給定指令的位置上?，F以三組代表性數據為例進行具體說明，實測數據如圖4所示。

根據圖4所示，在第3秒至7秒時間時間段上，指令設定伺服系統停止在70000脈沖附近，實際情況為該系統帶恒定負載停止在70000±200脈沖位置上，可以看出系統定位能力好。

4 總結

以CAN總線作為通信總線，可以實現伺服系統的實時數據傳輸的要求，這樣可以使伺服系統分別穩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向及驅動系統控制要求。

【參考文獻】

[1]覃海濤.交流伺服系統自調整技術研究[D].華中科技大學，2011.

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

[3]陳磊.從現場總線到工業以太網的實時性問題研究[D].浙江大學，2004.