基于CAN总线的机器人数字式伺服驱动器

黎安庆　施智雄　唐飞龙

【摘 要】现在大多使用以模拟电路为主体的驱动器，稳定性较差，容易受到机器人自身或外部的电磁干扰，本文使用了CAN总线应用于数字式伺服系统上，使用电流环、速度环、位置环来控制伺服系统的工作。经测试数据证明，该伺服系统可稳定工作于位置模式或速度模式下。

【关键词】CAN总线;伺服系统;机器人运动控制

中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）21-0047-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.021

0 引言

伺服系统是指能够按照给定速度、位置指令运行的随动系统。在伺服系统中，驱动器的作用是监测电机参数，并据此按照一定的控制方法控制电机运动。传统的伺服驱动器以模拟信号作为输入控制信号，内部采用模拟电路完成电流环、速度环、位置环的运行，从而控制伺服电机工作[1]。而数字伺服系统相对模拟系统由于采用数字计算的方式完成三个环路的运算，具备高精度、高可靠性、可利用软件灵活调整参数等优点，逐渐取代模拟伺服系统。不仅如此，伺服系统的通信方式上，模拟接口也逐步由数字接口取代。在數字接口当中，总线方式的接口具备接线简单、连接伺服系统台数多和系统响应速度快等优点[2]。

其具备抗干扰能力强，线路铺设简单，网络拓扑布设灵活，网络延迟短等优点[3]。机器人系统一般由多套伺服系统构成。因此，构成机器人的伺服系统非常适合采用CAN总线，以简化控制电路的设计，并提高可靠性和实时性。

1 伺服控制系统结构

伺服系统由三个控制环路构成如图2所示：电流环、速度环、位置环等控制。位置环的作用为控制电机转子尽量停止在指定位置，其运算结果传递给速度环;速度环则控制电机尽量按给定指令旋转，该环路运算结果作为电流环的输入指令;电流环则根据指令控制流过电机的电流。三个环路均使用PID算法进行控制。

该伺服系统使用CAN总线通信，用于根据主控制器指令与其他伺服系统协同工作。

2 数字伺服系统硬件设计

该伺服系统在硬件构成上分为中央运算模块、通信模块、电流检测模块、电机驱动模块等组成。

2.1 中央运算模块

中央运算模块负责伺服系统的数据运算及驱动控制。STM32F103单片机由于具备Cortex-M3处理器，最高可运行于72MHz频率，可满足运算要求。36路GPIO引脚，1个CAN总线控制单元，1个10位ADC转换单元，可满足本设计需求。

2.2 CAN通信模块

CAN总线通信部分以NXP-A1051/3芯片为主构建。NXP-A1051/3是一款高速CAN总线收发器，最高可支持1Mbit/S的收发速率。该芯片可与STM32的CAN总线控制器构成完整的CAN总线系统。

2.3 电流检测模块

电流检测模块用于检测流过电机的电流，电流环路根据检测数据，以PID控制方法使流过电机的电流值精确控制在指令需要的电流值附近。该模块使用WCS2705芯片检测电流值。该芯片使用了低偏置性霍尔传感器电路，所以输出电压与输入电流具备较好的线性度，具有较低的8.3mΩ内阻，在工作时功耗低，发热量低。因此非常适合用于伺服系统电流环的检测。

2.4 电机驱动模块

电机驱动模块用于根据CPU发出的信号，以PWM方式导通电流，驱动电机。该驱动部分采用两级方式驱动，由S21867芯片构成第一级驱动，该级驱动由单片机直接控制。第一级驱动再驱动由068N10N构成的第二级驱动工作。这样设计有两个原因：其一，单片机GPIO高电平电压只能达到3.3V，不能直接驱动场效应管;再者，第二级驱动工作电路正常工作电压为24V，单片机引脚需要与该电路隔离以保证安全。S21867由于可输出10v至20v的驱动电压，输入端具备钳位二极管电路可保证输入端不引入高压，因此满足设计要求。

3 实测数据及分析

该伺服系统有两种模式工作，速度模式和位置模式。在速度模式下，该系统输入的信号为速度指令，伺服系统位置环路不工作，速度环按CAN总线给定的指令进行工作，现以三组代表性数据为例进行具体说明，速度模式下数据如图3所示。

根据图3所示，在15秒到25秒期间，转速指令为2700脉冲/秒，实际速度为2700±260脉冲/秒速，可以得出伺服电机转速稳定在2700转附近，波动在10%以内。

在位置模式下，伺服系统的速度环按照位置环运算得到的指令工作，使电机转子稳定在给定指令的位置上。现以三组代表性数据为例进行具体说明，实测数据如图4所示。

根据图4所示，在第3秒至7秒时间时间段上，指令设定伺服系统停止在70000脉冲附近，实际情况为该系统带恒定负载停止在70000±200脉冲位置上，可以看出系统定位能力好。

4 总结

以CAN总线作为通信总线，可以实现伺服系统的实时数据传输的要求，这样可以使伺服系统分别稳定地工作在位置模式或速度模式下，可以同时满足轮式机器人的转向及驱动系统控制要求。

【参考文献】

[1]覃海涛.交流伺服系统自调整技术研究[D].华中科技大学，2011.

[2]刘曙光.现场总线技术的进展与展望[J].自动化与仪表，2000（03）：3-8.

[3]陈磊.从现场总线到工业以太网的实时性问题研究[D].浙江大学，2004.