機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)調(diào)速方法研究

楊立志　許文靜

摘要：步進(jìn)電機(jī)需要在運(yùn)行過(guò)程中一直提供一定節(jié)拍的脈沖，如果脈沖由CPU定時(shí)提供，將占用大量的CPU時(shí)間，導(dǎo)致CPU無(wú)法顧及其它事務(wù)。為了克服這種情況，該文對(duì)脈沖發(fā)生電路和調(diào)速電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其相對(duì)獨(dú)立于CPU進(jìn)行工作，減輕了CPU負(fù)擔(dān)，提高了機(jī)器人工作效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；調(diào)速電路；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào) TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）08-1908-05

1 概述

行走機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的重要組成結(jié)構(gòu)，機(jī)器人機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中一方面要實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍的環(huán)境信息，并依據(jù)這些信息對(duì)自身當(dāng)前的運(yùn)行姿態(tài)做出調(diào)整，比如根據(jù)周圍的障礙信息采取避障措施，根據(jù)由電子羅盤讀取的角度信息以及自身的運(yùn)行歷史確定當(dāng)前所處方位。根據(jù)運(yùn)行路況決定運(yùn)行速度，根據(jù)地面垃圾情況決定吸塵功率。根據(jù)電量情況及方位信息決定返回充電塢的時(shí)刻等。這些信息的獲取及獲取后的決策都需要消耗大量的CUP時(shí)間，而如果同時(shí)又依靠單片機(jī)通過(guò)I/O定時(shí)提供脈沖及其他信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)給任務(wù)安排、中斷控制等很多方面造成困難，最終影響機(jī)器人的運(yùn)行效果，導(dǎo)致一些意想不到的情況發(fā)生。如電機(jī)走走停停，機(jī)器人識(shí)別到前方障礙反而加速前行等。

為使機(jī)器人行走控制部分與傳感信號(hào)處理部分互相獨(dú)立達(dá)到既能減輕CPU負(fù)擔(dān)，又不影響對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制的目的，在設(shè)計(jì)中采取以下措施來(lái)改善電機(jī)的控制方法：

1）通過(guò)脈沖發(fā)生電路單獨(dú)為兩路步進(jìn)電機(jī)提供運(yùn)行脈沖。

2）通過(guò)調(diào)速電路調(diào)節(jié)脈沖頻率變化，為電機(jī)調(diào)速提供支持。

3）主控單元只負(fù)責(zé)向調(diào)速電路提供調(diào)速數(shù)據(jù)及控制電機(jī)起停。

其中內(nèi)外資源管理單元主要完成系統(tǒng)內(nèi)各主要部件如液晶顯示模塊，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、距離、姿態(tài)、方位，地面灰度等傳感器件及燈光報(bào)警器件的管理和CPU時(shí)鐘、中斷等軟件資源的分配、初始化任務(wù)。外部信號(hào)采集單元依據(jù)資源管理單元對(duì)各傳感器的管理策略，完成外部信號(hào)采集任務(wù)。運(yùn)動(dòng)決策單元對(duì)采集到的外部信號(hào)進(jìn)行處理并參照運(yùn)動(dòng)歷史數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方式，方位，速度等進(jìn)行調(diào)整，最終完成預(yù)定任務(wù)。運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)方位由主控單元直接對(duì)執(zhí)行電路進(jìn)行干預(yù)，而運(yùn)動(dòng)速度由主控單元將相關(guān)參數(shù)設(shè)置給調(diào)速電路，具體調(diào)節(jié)工作由調(diào)速電路自行完成。

執(zhí)行電路采用L297/L298組合電路實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖4示。L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號(hào)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可在開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。L298N為15個(gè)管腳的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá)）和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其額定工作電流為 1 A，最大可達(dá) 1.5 A，Vss 電壓最小 4.5 V，最大可達(dá) 36 V；Vs 電壓最大值也是 36 V。L298N可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路，可以驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)。

L297加L298組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡(jiǎn)單，并且計(jì)算機(jī)（或單片機(jī)）硬件 費(fèi)用大大減少，控制雙極步進(jìn)電機(jī)工作電流可達(dá)2.5A。

3 結(jié)論

通過(guò)改變計(jì)數(shù)分頻電路的預(yù)置數(shù)，對(duì)調(diào)速模塊進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期效果。

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