《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種小型雙路水下電視驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
王從政1,2,3,胡 松1,高椿明2,馮 常1,蔡 根1
1.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所,四川 成都610209; 2.電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院,四川 成都610054;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049
摘要: 針對(duì)核電站廣泛應(yīng)用的雙路水下電視驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在體積大且重等不足,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型10路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),完成雙路水下電視的所有動(dòng)作驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)為核心,通過(guò)USB模塊接收上位機(jī)控制指令包。根據(jù)解碼指令,系統(tǒng)利用SPI編程2塊集成功率驅(qū)動(dòng)芯片DRV8823實(shí)現(xiàn)6路電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)2片DRV8412實(shí)現(xiàn)4路電機(jī)驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)10路直流電機(jī)的有效驅(qū)動(dòng),應(yīng)用于雙路水下電視具有可靠性高、體積小和發(fā)熱少等特點(diǎn)。
中圖分類號(hào): TP368.1
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.
Design of small dual-channel underwater TV motor drive system
Wang Congzheng1,2,3,Hu Song1,Gao Chunming2,F(xiàn)eng Chang1,Cai Gen1
1.Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610209,China; 2.School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
Abstract: Motor drive system of dual-channel underwater TV, which is widely used in nuclear power plant, has the shortcoming of large volume and high weight, a small 10 channels direct-current(DC) motor drive system is designed and realized to drive all actions of underwater TV. The drive system selects C8051F340 as its core controller, and receives the instruction package of the host through the USB module. According to the decoding instruction, the SPI interface is adopted to program two DRV8823 to achieve the drive of 6 motors, and the PWM signal is outputted to drive two DRV8412 to achieve the drive of 4 motors. Experiments show that the motor drive system can drive 10 DC motors, and it is of high reliability, small volume and less heat.
Key words : underwater TV;motor drive;DRV8823;DRV8412

    

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DRV8412DRV8823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)。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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    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。

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    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)。

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    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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