0 引言

    核電站需要定期進行關鍵部件檢修，保障其運營安全。由于關鍵設備多具有放射性，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，現場廣泛應用的水下電視驅動系統(tǒng)具有體積大且重等問題^[3-4]，特別是現場工作人員穿戴防輻射和防沾污裝備進行操作，上述問題愈發(fā)有必要及時解決。

    雙路水下電視的動作包括云臺轉動和鏡頭參數調整等，每個動作對應一個直流電機，即驅動系統(tǒng)需實現多路直流電機驅動。直流電機驅動需實現弱電信號對電機轉動的控制，在實現方法上，傳統(tǒng)電機驅動器多采用分立式功率元件或大導通電阻的驅動芯片與PCI接口相結合的方案，裝配于工控機時，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動芯片DRV8412、DRV8823與USB接口相結合的多通道電機驅動方案。該方案以C8051F340為主控芯片實現上位機對多路直流電機的驅動控制，具有體積小、發(fā)熱少和低成本等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設計

    本系統(tǒng)驅動對象為雙路水下電視的光學鏡頭和云臺的關聯電機，具體功能需求：驅動10路工作電壓為12 V的直流電機，其中6路電機功率≤10 W，用于控制鏡頭的變倍、調焦和光圈等參數，4路電機功率≤25 W，用于驅動攝像模塊的二維云臺；上位機通過USB端口發(fā)送控制指令。經分析，系統(tǒng)主要由上位機指令接收模塊、控制模塊和功率放大模塊組成，通過三模塊實現多路電機控制命令解碼、驅動模塊配置和驅動信號發(fā)生等功能。系統(tǒng)的整體示意圖如圖1所示。上位機指令接收模塊通過單片機的USB硬件單元實現，利用單片機的中斷響應實現上位機指令數據的實時可靠接收；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驅動信號產生等；功率放大模塊對兩類集成功率驅動芯片進行工作模式配置，實現弱電信號對直流電機的驅動。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 六通道電機驅動模塊硬件設計

    本模塊以2片TI公司的集成功率驅動芯片DRV8823為核心^[7]，實現6路直流電機驅動。驅動芯片包含4路H橋，工作電壓范圍大，滿足12 V電機驅動需求；同時，其最大驅動電流可達1.5 A，2塊組合最多可以滿足8路功率≤10 W電機的驅動；此外，該芯片可根據系統(tǒng)指標進行8檔峰值電流設置，減少系統(tǒng)發(fā)熱量；最后，芯片還具有過流、短路、過熱保護等功能。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從設備，通過時鐘信號SCLK、數據信號SDAT和片選信號SCS進行控制，區(qū)別在于片選信號相互獨立，操作上SCS1和SCS2分時有效。芯片外圍配置電路簡單，除4個大功率傳感電阻外，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 四通道電機驅動模塊硬件設計

    本模塊采用2片集成功率驅動芯片DRV8412實現4路直流電機驅動^[8]。DRV8412是TI公司的一款雙H橋PWM驅動芯片，具有4種工作模式，保護電路齊全，內置有欠壓、過熱、過載、短路保護等，同時，具有內阻小、效率高等特點。針對本系統(tǒng)4路功率≤25 W直流電機驅動需求，DRV8412可工作于12 V，同時提供3 A連續(xù)驅動電流，滿足系統(tǒng)指標。本模塊的配置控制電路如圖3所示，芯片的M1-M3引腳設置為‘000’，工作于帶電流檢測的單橋控制方式。圖中給出一塊驅動芯片的配置，通過單片機輸出的四路PWM控制信號經PWMA-D引腳驅動功率半橋，功率放大后的信號由OUTA-D輸出，兩位一組即可實現直流電機驅動。

2.3 控制模塊硬件設計

    本模塊控制器采用C8051F系列的C8051F340，其是具有高速8051內核的獨立片上系統(tǒng)，外圍電路簡單^[9]。C8051F340具有USB硬件單元，可滿足系統(tǒng)的上位機指令接收需求。針對驅動芯片配置和控制，單片機采用SPI接口和IO端口結合的方式實現兩塊DRV8823的操作，利用P2和P3端口分別實現兩塊DRV8412的狀態(tài)獲取和PWM驅動信號輸出。本模塊的具體硬件配置如圖4 所示。其中，獲取狀態(tài)主要包含過熱警告和出錯信號；同時，多路PWM驅動信號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)軟件設計

    本系統(tǒng)軟件部分是基于Silicon Lab集成開發(fā)環(huán)境的MCU軟件設計，軟件的主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)首先完成單片機各類硬件模塊的配置，然后通過中斷獲取上位機的控制指令包，最后，主循環(huán)進行新控制指令包的解碼操作、各片電機驅動芯片狀態(tài)的依次更新和驅動信號的分別輸出。

    硬件模塊配置主要包含USB、SPI、定時器以及IO端口等設置。USB設置涉及USB時鐘選擇、時鐘使能以及USB設備描述等的初始化，由于控制命令數據率較低，USB采用6 MHz的低速模式；SPI設置主要包含時鐘頻率、時鐘相位、時鐘極性和工作模式等，由于DRV8823通過SPI接收數據在時鐘上升沿，故SPI設置為4線單主模式，同時，極性CKPOL位和相位CKPHA位清零；定時器設置為8位自動加載模式，用于給PWM提供基準時鐘。

    指令包為3字節(jié)數據包，依次代表幀頭、電機狀態(tài)和幀尾。解碼操作首先獲取指令包的幀頭0xA5和幀尾0x5A，并進行判定，然后再對狀態(tài)字節(jié)的相關信息進行分析，最后實現程序中各個電機的狀態(tài)位依次更新。狀態(tài)字節(jié)信息如表1所示，其中，電機類型有大小兩類；電機序號包含0-3或0-5；針對PWM信號驅動電機，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驅動信號輸出。DRV8823的寄存器為16位，需2次向SPI0DAT中寫入狀態(tài)字節(jié)，同時，注意數據傳輸時低位在前，并且2個8位數據傳輸間隔需10 μs以上，否則，寫入操作會出現不響應的情況。PWM通道數較多，程序采用定時器中斷方式進行多路PWM信號模擬，中斷程序則根據指令包中的電機狀態(tài)標志完成各路PWM信號占空比的配置。

4 系統(tǒng)測試

    本驅動系統(tǒng)已應用于核電站水下電視設備中，具體安裝在視頻采集處理機箱內。為了單獨測試本驅動系統(tǒng)性能，本文通過VS6.0編寫上位機測試程序，程序界面如圖6所示。其可以通過各復選框狀態(tài)的修改，再在發(fā)送按鈕按下后經USB向驅動系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)指令實現電機控制。為了保證測試可靠性，測試電機均與水下電視中應用的電機型號相同，即均為maxon直流電機。

    測試包含DRV8823驅動芯片的SPI寄存器寫操作、DRV8412驅動芯片的輸入輸出波形對比、輸出兩引腳間波形對比和兩者發(fā)熱狀況等。通過連接電機負載，并使其依次連續(xù)正反轉動10個周期，得驅動芯片均無明顯發(fā)熱，即本驅動系統(tǒng)可同時實現2套水下電視頭部的鏡頭和云臺動作驅動。

5 結論

    為了解決核電站目前常用雙路水下電視的驅動系統(tǒng)體積大、重量沉等問題，本文設計并實現了一種通過USB進行狀態(tài)更新的10路直流電機驅動系統(tǒng)。經測試分析和現場實際應用，其能夠完成2套水下電視的驅動任務。此外，該系統(tǒng)也可推廣應用于有多路電機驅動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功率芯片實現電機驅動，具有可靠性高、體積小和發(fā)熱量少等優(yōu)點，具有較高的工程價值。

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