文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.12.015
中文引用格式: 王從政,胡松,高椿明,等. 一種小型雙路水下電視驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(12):58-60,64.
英文引用格式: Wang Congzheng,Hu Song,Gao Chunming,et al. Design of small dual-channel underwater TV motor drive system[J].Application of Electronic Technique,2015,41(12):58-60,64.
0 引言
核電站需要定期進(jìn)行關(guān)鍵部件檢修,保障其運(yùn)營(yíng)安全。由于關(guān)鍵設(shè)備多具有放射性,故處于一定深度的硼酸水中,而雙路水下電視則成為水下檢修的常用工具之一[1-2]。目前,現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的水下電視驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有體積大且重等問(wèn)題[3-4],特別是現(xiàn)場(chǎng)工作人員穿戴防輻射和防沾污裝備進(jìn)行操作,上述問(wèn)題愈發(fā)有必要及時(shí)解決。
雙路水下電視的動(dòng)作包括云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和鏡頭參數(shù)調(diào)整等,每個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)一個(gè)直流電機(jī),即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)多路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制,在實(shí)現(xiàn)方法上,傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用分立式功率元件或大導(dǎo)通電阻的驅(qū)動(dòng)芯片與PCI接口相結(jié)合的方案,裝配于工控機(jī)時(shí),具有安裝不便、體積大、以及發(fā)熱量高等不足[5-6]。本文提出一種采用集成功率驅(qū)動(dòng)芯片DRV8412、DRV8823與USB接口相結(jié)合的多通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。該方案以C8051F340為主控芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)多路直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制,具有體積小、發(fā)熱少和低成本等優(yōu)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)對(duì)象為雙路水下電視的光學(xué)鏡頭和云臺(tái)的關(guān)聯(lián)電機(jī),具體功能需求:驅(qū)動(dòng)10路工作電壓為12 V的直流電機(jī),其中6路電機(jī)功率≤10 W,用于控制鏡頭的變倍、調(diào)焦和光圈等參數(shù),4路電機(jī)功率≤25 W,用于驅(qū)動(dòng)攝像模塊的二維云臺(tái);上位機(jī)通過(guò)USB端口發(fā)送控制指令。經(jīng)分析,系統(tǒng)主要由上位機(jī)指令接收模塊、控制模塊和功率放大模塊組成,通過(guò)三模塊實(shí)現(xiàn)多路電機(jī)控制命令解碼、驅(qū)動(dòng)模塊配置和驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生等功能。系統(tǒng)的整體示意圖如圖1所示。上位機(jī)指令接收模塊通過(guò)單片機(jī)的USB硬件單元實(shí)現(xiàn),利用單片機(jī)的中斷響應(yīng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)指令數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠接收;控制模塊的功能有:指令協(xié)議包解碼、SPI接口配置與操作和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生等;功率放大模塊對(duì)兩類集成功率驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行工作模式配置,實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 六通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)
本模塊以2片TI公司的集成功率驅(qū)動(dòng)芯片DRV8823為核心[7],實(shí)現(xiàn)6路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片包含4路H橋,工作電壓范圍大,滿足12 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求;同時(shí),其最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1.5 A,2塊組合最多可以滿足8路功率≤10 W電機(jī)的驅(qū)動(dòng);此外,該芯片可根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行8檔峰值電流設(shè)置,減少系統(tǒng)發(fā)熱量;最后,芯片還具有過(guò)流、短路、過(guò)熱保護(hù)等功能。本模塊的配置控制電路如圖2所示。圖中僅給出單路配置情況,2路均為SPI從設(shè)備,通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)SCLK、數(shù)據(jù)信號(hào)SDAT和片選信號(hào)SCS進(jìn)行控制,區(qū)別在于片選信號(hào)相互獨(dú)立,操作上SCS1和SCS2分時(shí)有效。芯片外圍配置電路簡(jiǎn)單,除4個(gè)大功率傳感電阻外,僅有少量小封裝電容。其中,傳感電阻主要為芯片的PWM斬波電流模塊提供比較電壓。
2.2 四通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)
本模塊采用2片集成功率驅(qū)動(dòng)芯片DRV8412實(shí)現(xiàn)4路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)[8]。DRV8412是TI公司的一款雙H橋PWM驅(qū)動(dòng)芯片,具有4種工作模式,保護(hù)電路齊全,內(nèi)置有欠壓、過(guò)熱、過(guò)載、短路保護(hù)等,同時(shí),具有內(nèi)阻小、效率高等特點(diǎn)。針對(duì)本系統(tǒng)4路功率≤25 W直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求,DRV8412可工作于12 V,同時(shí)提供3 A連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流,滿足系統(tǒng)指標(biāo)。本模塊的配置控制電路如圖3所示,芯片的M1-M3引腳設(shè)置為‘000’,工作于帶電流檢測(cè)的單橋控制方式。圖中給出一塊驅(qū)動(dòng)芯片的配置,通過(guò)單片機(jī)輸出的四路PWM控制信號(hào)經(jīng)PWMA-D引腳驅(qū)動(dòng)功率半橋,功率放大后的信號(hào)由OUTA-D輸出,兩位一組即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.3 控制模塊硬件設(shè)計(jì)
本模塊控制器采用C8051F系列的C8051F340,其是具有高速8051內(nèi)核的獨(dú)立片上系統(tǒng),外圍電路簡(jiǎn)單[9]。C8051F340具有USB硬件單元,可滿足系統(tǒng)的上位機(jī)指令接收需求。針對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片配置和控制,單片機(jī)采用SPI接口和IO端口結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)兩塊DRV8823的操作,利用P2和P3端口分別實(shí)現(xiàn)兩塊DRV8412的狀態(tài)獲取和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。本模塊的具體硬件配置如圖4 所示。其中,獲取狀態(tài)主要包含過(guò)熱警告和出錯(cuò)信號(hào);同時(shí),多路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率范圍還要滿足20-500 kHz,否則,兩輸出端之間功率不滿足系統(tǒng)需求。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件部分是基于Silicon Lab集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的MCU軟件設(shè)計(jì),軟件的主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)首先完成單片機(jī)各類硬件模塊的配置,然后通過(guò)中斷獲取上位機(jī)的控制指令包,最后,主循環(huán)進(jìn)行新控制指令包的解碼操作、各片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片狀態(tài)的依次更新和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分別輸出。
硬件模塊配置主要包含USB、SPI、定時(shí)器以及IO端口等設(shè)置。USB設(shè)置涉及USB時(shí)鐘選擇、時(shí)鐘使能以及USB設(shè)備描述等的初始化,由于控制命令數(shù)據(jù)率較低,USB采用6 MHz的低速模式;SPI設(shè)置主要包含時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和工作模式等,由于DRV8823通過(guò)SPI接收數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿,故SPI設(shè)置為4線單主模式,同時(shí),極性CKPOL位和相位CKPHA位清零;定時(shí)器設(shè)置為8位自動(dòng)加載模式,用于給PWM提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。
指令包為3字節(jié)數(shù)據(jù)包,依次代表幀頭、電機(jī)狀態(tài)和幀尾。解碼操作首先獲取指令包的幀頭0xA5和幀尾0x5A,并進(jìn)行判定,然后再對(duì)狀態(tài)字節(jié)的相關(guān)信息進(jìn)行分析,最后實(shí)現(xiàn)程序中各個(gè)電機(jī)的狀態(tài)位依次更新。狀態(tài)字節(jié)信息如表1所示,其中,電機(jī)類型有大小兩類;電機(jī)序號(hào)包含0-3或0-5;針對(duì)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī),其速度分為高、中、低3檔。
程序主體部分包含DRV8823的寄存器更新和DRV8412的8路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。DRV8823的寄存器為16位,需2次向SPI0DAT中寫入狀態(tài)字節(jié),同時(shí),注意數(shù)據(jù)傳輸時(shí)低位在前,并且2個(gè)8位數(shù)據(jù)傳輸間隔需10 μs以上,否則,寫入操作會(huì)出現(xiàn)不響應(yīng)的情況。PWM通道數(shù)較多,程序采用定時(shí)器中斷方式進(jìn)行多路PWM信號(hào)模擬,中斷程序則根據(jù)指令包中的電機(jī)狀態(tài)標(biāo)志完成各路PWM信號(hào)占空比的配置。
4 系統(tǒng)測(cè)試
本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已應(yīng)用于核電站水下電視設(shè)備中,具體安裝在視頻采集處理機(jī)箱內(nèi)。為了單獨(dú)測(cè)試本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能,本文通過(guò)VS6.0編寫上位機(jī)測(cè)試程序,程序界面如圖6所示。其可以通過(guò)各復(fù)選框狀態(tài)的修改,再在發(fā)送按鈕按下后經(jīng)USB向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。為了保證測(cè)試可靠性,測(cè)試電機(jī)均與水下電視中應(yīng)用的電機(jī)型號(hào)相同,即均為maxon直流電機(jī)。
測(cè)試包含DRV8823驅(qū)動(dòng)芯片的SPI寄存器寫操作、DRV8412驅(qū)動(dòng)芯片的輸入輸出波形對(duì)比、輸出兩引腳間波形對(duì)比和兩者發(fā)熱狀況等。通過(guò)連接電機(jī)負(fù)載,并使其依次連續(xù)正反轉(zhuǎn)動(dòng)10個(gè)周期,得驅(qū)動(dòng)芯片均無(wú)明顯發(fā)熱,即本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)2套水下電視頭部的鏡頭和云臺(tái)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)。
5 結(jié)論
為了解決核電站目前常用雙路水下電視的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積大、重量沉等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通過(guò)USB進(jìn)行狀態(tài)更新的10路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用,其能夠完成2套水下電視的驅(qū)動(dòng)任務(wù)。此外,該系統(tǒng)也可推廣應(yīng)用于有多路電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求且體積受限的其他執(zhí)行末端中。該系統(tǒng)采用USB端口傳輸控制指令,操作方便,利用DRV8823和DRV8412功率芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),具有可靠性高、體積小和發(fā)熱量少等優(yōu)點(diǎn),具有較高的工程價(jià)值。
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