從二十世紀(jì)七十年代起至今，我國的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量已經(jīng)比較龐大，在機(jī)器人的某些技術(shù)方面也達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但總體來說，西方發(fā)達(dá)國家的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)仍領(lǐng)先我國很多年。究其原因不難發(fā)現(xiàn)：我國研究工業(yè)機(jī)器人采取的方法主要是首先引進(jìn)外國的先進(jìn)技術(shù)，然后再對其進(jìn)行二次開發(fā)，這就造成了我國自身創(chuàng)新技術(shù)比較少，嚴(yán)重制約了我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

　　為打破國外對我國工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)壟斷，我們必須自力更生，掌握高性能工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并在原來的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。由于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的執(zhí)行器為電機(jī)，所以獲得電機(jī)的良好控制效果是非常重要的，要想獲得優(yōu)良的電機(jī)控制性能，就需要高性能的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，因此研制高性能的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，所以本文的主要任務(wù)是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)，對系統(tǒng)的的硬件進(jìn)行設(shè)計。

　　1、硬件設(shè)計

　　1.1 DSP的選型

　　DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計包括控制芯片的選擇、主電路的驅(qū)動與保護(hù)、外圍設(shè)備、邏輯電路等，它是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，DSP芯片又是重中之重。TMS320C5000系列DSP具有最低功耗的特點(diǎn)，是專門針對消費(fèi)類數(shù)字市場而設(shè)計的，最低耗電只有0.33mA/MHz，所以多應(yīng)用于日常生活中的消費(fèi)產(chǎn)品，如照相機(jī)、手機(jī)等。TI公司的TMS320C6000系列擁有最高的處理能力，是一種適合采用C++/C等高級語言進(jìn)行編程的數(shù)字處理器，主要應(yīng)用在軍事國防等高端領(lǐng)域。與C5000和C6000系列的DSP相比，TMS320C2000系列的DSP由于其具有速度快、精度高、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前控制領(lǐng)域性能最高的處理器。其中，C28系列DSP是TMS320C2000平臺中的新成員，它由C24系列DSP改進(jìn)而來，是一款支持C/C++語言設(shè)計的芯片，C28系列DSP非常適合于工業(yè)控制，在算法控制上有獨(dú)到的優(yōu)勢，是一款不可多得的微處理器，它的高效性可以使它代替任何其他處理器。C2000系列DSP不含F(xiàn)lash存儲器，僅含只讀存儲器ROM；F2000系列DSP不僅內(nèi)含ROM只讀存儲器，而且還包括Flash存儲器，可以反復(fù)擦寫，適合應(yīng)用在產(chǎn)品的初期開發(fā)階段。若采用TMS320C281x，則需要將代碼交付生產(chǎn)廠商，把程序固化到TMS320C281x的ROM中，增加了成本，所以選擇使用TMS320F281xDSP芯片。其中，TMS320F2812作為TI公司首推的芯片，具有很高的性價比。綜上所述，最終選擇DSP的型號為TMS320F2812。

　　1.2 位置檢測電路設(shè)計

　　本文交流伺服電機(jī)中所采用的編碼器為多摩川公司生產(chǎn)的型號為TS5668N21的17位絕對式編碼器，一般的做法是采用生產(chǎn)廠商提供的專用芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但該做法有一個缺點(diǎn)，就是專用芯片的成本十分昂貴，與本文需要研制經(jīng)濟(jì)型的工業(yè)機(jī)器人宗旨相違背，為了降低成本，本文自己設(shè)計了將絕對式編碼器信號轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP能識別的串口信號電路。

　　電感與光耦可以起到濾波和防浪涌的功能，由于該絕對式編碼器輸出的是差動信號，所以需要通過芯片SN65176BD（BDR）G4將絕對式編碼器的差動信號轉(zhuǎn)化為DSP可以識別的串口信號，即TTL信號，此外該芯片的供電電壓為直流5V，所以該驅(qū)動系統(tǒng)還應(yīng)該提供5V的直流電源，由于該工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用了利用一個DSP來控制兩個永磁同步電機(jī)的想法，好處是降低成本，充分發(fā)揮了TMS320F2812的運(yùn)算速度快及外設(shè)資源豐富的特點(diǎn)，所以兩個電機(jī)的編碼器信號分別通過串口SCIA和SCIB輸入到同一個DSPTMS320F2812中。

　　1.3 低速外部輸入信號轉(zhuǎn)化電路設(shè)計

　　由于外部的輸入信號例如參數(shù)設(shè)置按鈕等輸入信號需要將其采集到DSP中，但只有3.3V的TTL電平才能被DSPTMS320F2812所識別，所以需要一個信號轉(zhuǎn)化電路，該電路中采用了雙向光耦，很好的起到了隔離保護(hù)的作用，一旦由于電壓過大等意外，只需要更換光耦即可，防止DSP的接口也被燒壞。該電路采用的雙向光電耦合器的型號為東芝公司生產(chǎn)的TLP280-4/SOP-16，其中SOP-16為其封裝形式，該雙向光耦公共端既可以接24V，也可以接0V，使用非常方便，通過該電路將可以將低速信號轉(zhuǎn)化為3.3V的TTL信號，完成信號的轉(zhuǎn)化，其中電路中的電容起濾波作用。

　　經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的TTL信號與輸出之間還需要一個隔離電路，該電路主要起的隔離保護(hù)的作用，該電路采用單向的光電耦合器，其型號為東芝公司生產(chǎn)的TLP181/SOP-4，其中SOP-4為其封裝形式。

　　1.4 智能功率模塊及隔離驅(qū)動電路設(shè)計

　　智能功率模塊簡稱IPM模塊，是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵元件［3］，本系統(tǒng)采用MITSUBISHISEMICONDUCTOR公司生產(chǎn)的第四代IPM模塊，型號為PS21767，該模塊的最大輸出電壓為600V，最大輸出電流為20A，輸出范圍廣，該模塊還具有短路保護(hù)及欠壓保護(hù)功能，當(dāng)檢測到欠壓或短路時，該模塊停止工作的同時，還通過FO引腳發(fā)出故障信號給DSP，DSP立即停止發(fā)送PWM信號，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。

　　IPM模塊采用POWEREX公司生產(chǎn)的PS21767模塊，其周邊接口電路主要包括供電電路、故障信號輸出電路等。IPM的輸入信號電壓為15V，而PWM信號輸出電壓為5V，為了把不同的電壓信號隔離開，抑制干擾，本系統(tǒng)使TMS320F2812的

　　PWM信號先經(jīng)過光電耦合器，再輸入IPM模塊，選取光電耦合器型號為ACPL-P480，該款芯片具有傳播延遲短、共模抑制（CMR）能力高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于IPM接口隔離。

　　IPM模塊具有過壓、過流、欠壓等保護(hù)功能，當(dāng)這些情況發(fā)生時，IPM模塊輸出故障信號，然后輸入到DSP，為了將IPM信號與DSP隔離，防止干擾，需要故障信號隔離電路。

　　2、結(jié)論

　　本章首先簡單介紹了選擇DSPTMS320F2812芯片的原因，完成了DSP的選型，其次詳細(xì)的說明了工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括位置檢測電路設(shè)計、低速外部輸入信號轉(zhuǎn)化電路設(shè)計、信號電平轉(zhuǎn)化電路設(shè)計、變送器電路設(shè)計、DSP及外圍接口電路設(shè)計、電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、智能功率模塊及隔離驅(qū)動電路設(shè)計、電源系統(tǒng)電路設(shè)計、通訊接口電路設(shè)計、主回路整流電路設(shè)計、電流檢測電路設(shè)計。