MiroSot足球機器人電機驅(qū)動系統(tǒng)設計

劉銀萍

(廣東工業(yè)大學實驗教學部，廣東 廣州 510006)

0 引言

在足球機器人比賽系統(tǒng)中，足球機器人的運動速度和精度將直接影響球隊的勝負。機器人的精確運動控制，主要取決于車輪電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能。比賽中，機器人小車微處理器大多使用單片機，如：ATMEGA163、C8051和MCS-96等。這些控制芯片有些雖然是面向電機控制的，但并不具備快速處理能力，實時性不強[1]。

本設計采用由美國TI公司生產(chǎn)的16位處理器DSP-TMS320LF2407A作為控制器，之所以沒有選用32位DSP或更高檔芯片是因為機器人的速度分為正負127檔，16位定點處理器精度己經(jīng)足夠[2]。TMS320LF2407A集數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)的高速信號處理運算能力和適于電機控制的外圍電路于一體。采用TMS320LF2407A芯片構(gòu)造電機驅(qū)動系統(tǒng)，不僅簡化了電路，降低了系統(tǒng)的損耗，而且提高了系統(tǒng)的準確性和實時性。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 整體設計

本文采用雙電機分別驅(qū)動左右兩輪。電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件主要包括微控制器TM3S20LF2407A、電機驅(qū)動脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)橋式電路、編碼盤等電路。直流電機驅(qū)動控制電路方案整體結(jié)構(gòu)設計如圖 1 所示。電機驅(qū)動系統(tǒng)的電路設計主要使用TM3S20LF2407A芯片的3個模塊：PWM 模塊、QEP 模塊和A/D 模塊。電機采用PWM方式驅(qū)動，TM3S20LF2407A產(chǎn)生4 路載波比為20 kHz的高分辨率PWM波，用來控制兩個電機的速度方向和大小。驅(qū)動電路采用含有雙H 橋的L298驅(qū)動器來驅(qū)動電機。兩個QEP捕獲單元實現(xiàn)對兩個電機的光電碼盤反饋信號的鑒相和計數(shù)。A/D 轉(zhuǎn)換模塊用于電機的電樞電流檢測。

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Overall structure of the circuit

1.2 電機驅(qū)動電路設計

由于TMS320LF2407A輸出的PWM信號，電壓為脈沖形式，輸出的電流很小，不足以直接驅(qū)動電機運行,需使用驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動電機的驅(qū)動信號。本設計使用L298雙H橋驅(qū)動器驅(qū)動。L298是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動芯片[3]。由于L298內(nèi)部集成有兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，這樣就可以用一片L298驅(qū)動兩個電機。由于其接口簡單，直接與TMS320LF2407A事件管理器產(chǎn)生的一對PWM信號相連，就可以控制一個電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，控制方便，大大簡化了電路。L298的Vss接控制邏輯電源，Vs接驅(qū)動電機電源口[4]。IN1～IN4輸入引腳為標準 TTL邏輯電平信號[5]，用來控制 H 橋的開與關即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM 信號，實現(xiàn)電機調(diào)速。信號輸出端OUTl、OUT2和 OUT3、OUT4之間分別接兩個電機[6]，用于控制電機。另外,L298 的 SENA，SENB 引腳通過 0.5 kΩ的電阻接地，為電流反饋引腳,以便實現(xiàn)系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制[7]。由于足球機器人的比賽環(huán)境比較惡劣，常有強烈碰撞發(fā)生，小車電機經(jīng)常會發(fā)生堵轉(zhuǎn)和快速反轉(zhuǎn)。

本設計利用IN4007二極管進行反接,實現(xiàn)電路保護,防止由于電機因堵轉(zhuǎn)等原因產(chǎn)生高脈沖沖擊電壓而損壞驅(qū)動器[8]。另外，L298中設計了過流保護電路。LM358是一個電壓比較器,IN1(+)/IN2(+)電壓為1 V。當IN1(-)/ IN2(-)的電壓低于IN1(+)/IN2(+)電壓時,OUT1/OUT2輸出高電平,驅(qū)動L298的ENA /ENB管腳使芯片正常工作;否則輸出低電平,關閉L298。電機驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 電機驅(qū)動電路 Fig.2 Driving circuit of the motor

1.3 電機速度檢測模塊

考慮到機器人的尺寸和功耗的限制，必須選用體積小、功耗低的電機。本設計采用德國FAULHABER公司生產(chǎn)的2224U0006SR微型直流電機，利用電機配套的增量式光電碼盤IE2-512來檢測電機的轉(zhuǎn)速。增量式光電碼盤由光柵盤(碼盤)和光電檢測裝置組成[9]。光柵盤是在一定直徑的原板等分地開通若干個孔，由于光柵盤與電機同軸，電機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測出若干個脈沖信號。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電機的轉(zhuǎn)速。利用光電碼盤輸出兩路相位相差90°的兩路脈沖這一特性來鑒別電機轉(zhuǎn)向。 電機編碼器光電檢測電路如圖3所示。

圖3 光電檢測電路 Fig.3 Photoelectric detection circuit

TMS320LF2407A帶有兩個正交編碼脈沖(QEP)電路，用于接收兩個電機的編碼盤脈沖信號。但是光電編碼器輸出信號為差分信號，需要轉(zhuǎn)換成單端信號才能輸入到TMS320LF2407A的QEP模塊。電機編碼盤與TMS320LF2407A接口電路如圖4所示。本設計采用四差分線路接收器 AM26LS32，將編碼盤輸出的差分信號A+、A-，B+、B-轉(zhuǎn)換為A、B兩路單端正交脈沖信號。由于光電編碼器供電電壓是5 V，輸出的信號也是5 V電平，而DSP工作電壓是3.3 V，所以本設計采用雙電源供電的雙向收發(fā)器74LVC4245，將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電平。TMS320LF2407A控制器的QEP1、QEP2端口將捕獲脈沖信號A、B的數(shù)據(jù)存放在寄存器中，通過比較捕獲到的A、B兩相脈沖信號，確定電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。

圖4 電機編碼盤與TMS320LF2407A接口電路 Fig.4 Interface circuit of motor encoder and TMS320LF240TA

2 系統(tǒng)軟件設計

電機控制程序流程圖如圖5所示。在系統(tǒng)上電后，首先初始化控制器參數(shù)，實時讀取串口通信中斷程序接收到的機器人給定轉(zhuǎn)速和定時器中斷采樣車輪的實際測量速度。若兩者速度一致，則實際轉(zhuǎn)速不變；否則TMS320LF2407A處理器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速與實際測量速度，得到速度偏差值，經(jīng)過PID控制算法模塊計算出新的控制量，輸出PWM信號驅(qū)動電機。

圖5 電機控制程序流程圖 Fig.5 Program flowchart of motor control

3 試驗及結(jié)果分析

經(jīng)試驗測定，足球機器人啟動時間、制動時間如表1所示。機器人速度測試結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果可以看出，機器人電機無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，左、右輪的輸出線性都很好，兩輪的協(xié)調(diào)性也較好，實際輸出轉(zhuǎn)速達到了上位機給定值，控制精度較高，滿足實際需要。

表1 機器人啟動、制動時間Tab.1 Starting and braking time of robot

表2 機器人速度測試結(jié)果Tab.2 Test results of robot speed

4 結(jié)束語

本文闡述了以TMS320LF2407A為控制核心的MiroSot足球機器電機驅(qū)動系統(tǒng)的軟硬件設計。基于H橋功率驅(qū)動電路以及PWM脈寬調(diào)制原理，選用16位的DSP芯片TMS320LF2407A與H橋芯片L298組成兩路電機的可逆調(diào)速系統(tǒng)，并采用增量式光電編碼器作速度檢測，設計了一種直流電機正、反轉(zhuǎn)驅(qū)動調(diào)速控制電路。該電路克服了傳統(tǒng)單片機、32位DSP或其他方法存在的電路復雜、可靠性低、實時性不強等缺點，滿足了機器人的功能要求，取得了較為理想的控制效果。

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