0 引言

    核电站需要定期进行关键部件检修，保障其运营安全。由于关键设备多具有放射性，故处于一定深度的硼酸水中，而双路水下电视则成为水下检修的常用工具之一^[1-2]。目前，现场广泛应用的水下电视驱动系统具有体积大且重等问题^[3-4]，特别是现场工作人员穿戴防辐射和防沾污装备进行操作，上述问题愈发有必要及时解决。

    双路水下电视的动作包括云台转动和镜头参数调整等，每个动作对应一个直流电机，即驱动系统需实现多路直流电机驱动。直流电机驱动需实现弱电信号对电机转动的控制，在实现方法上，传统电机驱动器多采用分立式功率元件或大导通电阻的驱动芯片与PCI接口相结合的方案，装配于工控机时，具有安装不便、体积大、以及发热量高等不足^[5-6]。本文提出一种采用集成功率驱动芯片DRV8412、DRV8823与USB接口相结合的多通道电机驱动方案。该方案以C8051F340为主控芯片实现上位机对多路直流电机的驱动控制，具有体积小、发热少和低成本等优点。

1 系统总体设计

    本系统驱动对象为双路水下电视的光学镜头和云台的关联电机，具体功能需求：驱动10路工作电压为12 V的直流电机，其中6路电机功率≤10 W，用于控制镜头的变倍、调焦和光圈等参数，4路电机功率≤25 W，用于驱动摄像模块的二维云台；上位机通过USB端口发送控制指令。经分析，系统主要由上位机指令接收模块、控制模块和功率放大模块组成，通过三模块实现多路电机控制命令解码、驱动模块配置和驱动信号发生等功能。系统的整体示意图如图1所示。上位机指令接收模块通过单片机的USB硬件单元实现，利用单片机的中断响应实现上位机指令数据的实时可靠接收；控制模块的功能有：指令协议包解码、SPI接口配置与操作和PWM驱动信号产生等；功率放大模块对两类集成功率驱动芯片进行工作模式配置，实现弱电信号对直流电机的驱动。

2 系统硬件设计

2.1 六通道电机驱动模块硬件设计

    本模块以2片TI公司的集成功率驱动芯片DRV8823为核心^[7]，实现6路直流电机驱动。驱动芯片包含4路H桥，工作电压范围大，满足12 V电机驱动需求；同时，其最大驱动电流可达1.5 A，2块组合最多可以满足8路功率≤10 W电机的驱动；此外，该芯片可根据系统指标进行8档峰值电流设置，减少系统发热量；最后，芯片还具有过流、短路、过热保护等功能。本模块的配置控制电路如图2所示。图中仅给出单路配置情况，2路均为SPI从设备，通过时钟信号SCLK、数据信号SDAT和片选信号SCS进行控制，区别在于片选信号相互独立，操作上SCS1和SCS2分时有效。芯片外围配置电路简单，除4个大功率传感电阻外，仅有少量小封装电容。其中，传感电阻主要为芯片的PWM斩波电流模块提供比较电压。

2.2 四通道电机驱动模块硬件设计

    本模块采用2片集成功率驱动芯片DRV8412实现4路直流电机驱动^[8]。DRV8412是TI公司的一款双H桥PWM驱动芯片，具有4种工作模式，保护电路齐全，内置有欠压、过热、过载、短路保护等，同时，具有内阻小、效率高等特点。针对本系统4路功率≤25 W直流电机驱动需求，DRV8412可工作于12 V，同时提供3 A连续驱动电流，满足系统指标。本模块的配置控制电路如图3所示，芯片的M1-M3引脚设置为‘000’，工作于带电流检测的单桥控制方式。图中给出一块驱动芯片的配置，通过单片机输出的四路PWM控制信号经PWMA-D引脚驱动功率半桥，功率放大后的信号由OUTA-D输出，两位一组即可实现直流电机驱动。

2.3 控制模块硬件设计

    本模块控制器采用C8051F系列的C8051F340，其是具有高速8051内核的独立片上系统，外围电路简单^[9]。C8051F340具有USB硬件单元，可满足系统的上位机指令接收需求。针对驱动芯片配置和控制，单片机采用SPI接口和IO端口结合的方式实现两块DRV8823的操作，利用P2和P3端口分别实现两块DRV8412的状态获取和PWM驱动信号输出。本模块的具体硬件配置如图4 所示。其中，获取状态主要包含过热警告和出错信号；同时，多路PWM驱动信号的频率范围还要满足20-500 kHz，否则，两输出端之间功率不满足系统需求。

3 系统软件设计

    本系统软件部分是基于Silicon Lab集成开发环境的MCU软件设计，软件的主程序流程图如图5所示。系统首先完成单片机各类硬件模块的配置，然后通过中断获取上位机的控制指令包，最后，主循环进行新控制指令包的解码操作、各片电机驱动芯片状态的依次更新和驱动信号的分别输出。

    硬件模块配置主要包含USB、SPI、定时器以及IO端口等设置。USB设置涉及USB时钟选择、时钟使能以及USB设备描述等的初始化，由于控制命令数据率较低，USB采用6 MHz的低速模式；SPI设置主要包含时钟频率、时钟相位、时钟极性和工作模式等，由于DRV8823通过SPI接收数据在时钟上升沿，故SPI设置为4线单主模式，同时，极性CKPOL位和相位CKPHA位清零；定时器设置为8位自动加载模式，用于给PWM提供基准时钟。

    指令包为3字节数据包，依次代表帧头、电机状态和帧尾。解码操作首先获取指令包的帧头0xA5和帧尾0x5A，并进行判定，然后再对状态字节的相关信息进行分析，最后实现程序中各个电机的状态位依次更新。状态字节信息如表1所示，其中，电机类型有大小两类；电机序号包含0-3或0-5；针对PWM信号驱动电机，其速度分为高、中、低3档。

    程序主体部分包含DRV8823的寄存器更新和DRV8412的8路PWM驱动信号输出。DRV8823的寄存器为16位，需2次向SPI0DAT中写入状态字节，同时，注意数据传输时低位在前，并且2个8位数据传输间隔需10 μs以上，否则，写入操作会出现不响应的情况。PWM通道数较多，程序采用定时器中断方式进行多路PWM信号模拟，中断程序则根据指令包中的电机状态标志完成各路PWM信号占空比的配置。

4 系统测试

    本驱动系统已应用于核电站水下电视设备中，具体安装在视频采集处理机箱内。为了单独测试本驱动系统性能，本文通过VS6.0编写上位机测试程序，程序界面如图6所示。其可以通过各复选框状态的修改，再在发送按钮按下后经USB向驱动系统发送状态指令实现电机控制。为了保证测试可靠性，测试电机均与水下电视中应用的电机型号相同，即均为maxon直流电机。

    测试包含DRV8823驱动芯片的SPI寄存器写操作、DRV8412驱动芯片的输入输出波形对比、输出两引脚间波形对比和两者发热状况等。通过连接电机负载，并使其依次连续正反转动10个周期，得驱动芯片均无明显发热，即本驱动系统可同时实现2套水下电视头部的镜头和云台动作驱动。

5 结论

    为了解决核电站目前常用双路水下电视的驱动系统体积大、重量沉等问题，本文设计并实现了一种通过USB进行状态更新的10路直流电机驱动系统。经测试分析和现场实际应用，其能够完成2套水下电视的驱动任务。此外，该系统也可推广应用于有多路电机驱动需求且体积受限的其他执行末端中。该系统采用USB端口传输控制指令，操作方便，利用DRV8823和DRV8412功率芯片实现电机驱动，具有可靠性高、体积小和发热量少等优点，具有较高的工程价值。

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