【文章內(nèi)容簡介】 置傳感器檢測磁鋼位置后，控制相電流通斷實現(xiàn)電子換向，避免換向火花，且不產(chǎn)生電磁干擾，具有壽命長、運行可靠、維修簡便、變速不受換向條件限制、高速運行、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。如果采用PWM控制，只需要通過軟件改變PWM波的占空比就可實現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動機器人在運動中的靈活性非常有用。另外，隨著具有PWM輸出的單片機在機器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流無刷電動機（BLDC）作為驅(qū)動電動機的越來越多。對比二者的特點，尤其是考慮到使用單片機作為控制器時設(shè)計的可靠性，本設(shè)計的驅(qū)動電機就選用帶減速器的直流無刷電動機（BLDC）電機。直流電機的優(yōu)點表現(xiàn)在以下方面： 具有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能夠克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩； 具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化和控制信號的變換； 電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 直流電機的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉(zhuǎn)的同時可以立刻響應(yīng)，并且可以產(chǎn)生相當大的力矩阻止機器人由于慣性繼續(xù)向前移動； 直流電機具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。除此之外，DC直流電機相對其他電機來說運動起來平穩(wěn)，而且噪聲小。 這里選用上海朗能機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZYT60JB80永磁直流電機。其主要技術(shù)參數(shù)是：Unom=24V； Inom= ； nnom=2500r/min；Pnom=90W，Gnom =1:5～1:230。具體的實物形狀如下圖所示圖51 機器人巡線驅(qū)動用的直流電機及減速器 直流電機的低速性能是偏軟的，為使電機工作在穩(wěn)態(tài)下，必須根據(jù)巡線機器人的實際運行需要，選擇合適的減速器。另外電機的轉(zhuǎn)速比較高，對于巡線機器人來說，容易在轉(zhuǎn)彎的時候因慣性而循跡失敗，所以它的速度在6km/小時左右就可以滿足要求。 根據(jù)機器人中一些主要零件的參數(shù)，對其電機減速器的減速比計算如下： 后輪驅(qū)動輪的直徑：。 驅(qū)動輪走一周所滿足的路程：； （） 速度V轉(zhuǎn)化為：； 由得：； （） 減速比為：； 選取減速器的減速比為10，針對所選的減速器，對巡線機器人的移動速度進行再計算：減速后輪子的轉(zhuǎn)速：；輪子的轉(zhuǎn)速 ： ；（）經(jīng)過上面的校核計算，得知選用減速比為1：10的減速器滿足這次設(shè)計的需要。經(jīng)過以上對電機和減速器相關(guān)分析計算后，我們可以最后確認電機和減速器的型號。由于電機、減速器，輪子都要安裝在機器人的下面，當機器人的體積和底面的面積是一定時，電機和輪子的尺寸也相應(yīng)地受到一定限制。為此采取的辦法是去掉電機到輪子中間的齒輪傳動機構(gòu)，取而代之的是與電機相配的小型減速器，該減速器安裝在電機上后，整個尺寸不過280作用長，直徑90mm左右，其質(zhì)量比較輕，，=（kgmm）。 所選電機性能校核在智能巡線機器人機構(gòu)中，由于需要一定側(cè)承重量以及加工制造的方便，驅(qū)動部分以及支持部分都采用扁鋼為材料，機器人結(jié)構(gòu)重量約為50kg，所承受貨物的上限為150kg,因而整車載重極限N為200kg。該載重極限由兩個萬向輪與兩個驅(qū)動輪共同分擔，機器人驅(qū)動輪受力如圖所示。圖52 輪子的受力驅(qū)動輪在減速器的驅(qū)動下，克服與地面間的摩擦力F1 旋轉(zhuǎn)前進，同時兩個轉(zhuǎn)向分別與地面間同樣在機體重力及貨物重力的作用下存在一定的摩擦力F2。當F1 F2 時,驅(qū)動輪才不至于打滑或空轉(zhuǎn)。初定驅(qū)動機構(gòu)雙輪承受重力的60%，兩個萬向輪承受其余的40%，取驅(qū)動輪輪胎與地面間的摩擦系數(shù)?=，驅(qū)動輪直徑=15cm,支撐輪直徑D2=4cm.單個驅(qū)動輪承受的正壓力： （）單個支撐輪承受的正壓力： （）單個驅(qū)動輪克服的摩擦力： （）單個支撐輪承受的摩擦力： （）在一定的轉(zhuǎn)矩作用下驅(qū)動輪克服摩擦力，則轉(zhuǎn)向輪處于從動狀態(tài)。而在轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)下，一個驅(qū)動輪將推動兩個萬向輪運動，從而在這種要考慮兩個驅(qū)動輪的摩擦阻力。機器人在運動時承受的最大阻力： （）機器人驅(qū)動所需的電機的功率： （）PnomP，故所選電機滿足要求。5．2 直流電機的轉(zhuǎn)動方向控制驅(qū)動系統(tǒng)是機器人的手和腳，即運動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)的基本組成部分，它的任務(wù)不僅是向機器人傳遞動力，而且要提供準確的運動定位和靈活的操作。通常機器人驅(qū)動有電氣、液壓、氣壓三種方式。本設(shè)計采用電氣驅(qū)動直流電機。將直流電機與直流電源或電池連接就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。不過作為機器人的動力使用時，必須對電機進行轉(zhuǎn)動的開關(guān)（ON/OFF）和轉(zhuǎn)動方向等控制。使直流電機轉(zhuǎn)動，必須將它與電池等直流電源連接，如圖53所示。圖53直流電機與電源的連接以恒定的速度轉(zhuǎn)動時DC電機的等效電路如圖54。這里，R0是轉(zhuǎn)子線圈的電阻，E0表示轉(zhuǎn)子線圈在定子磁場中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電動勢。圖54 DC電機的等效電路 若用公式表示，則有V=RaIa+Ec(V)。這里忽略了電刷與整流子之間的接觸電壓。 通常采用半導(dǎo)體或繼電器來驅(qū)動直流電機。繼電器電路比較簡單，缺點是由于利用機械觸點，所以易產(chǎn)生噪聲，反應(yīng)速度也比較慢。半導(dǎo)體主要是受溫度變化影響很大，不易控制輸出電壓值。常用的晶體管一般都是大功率型的，分為以下幾種方式：（a）集電極驅(qū)動 （b）發(fā)射極驅(qū)動 （c）大功率MOSFET圖55直流電機驅(qū)動電路圖55（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機的電流。由于驅(qū)動力大，所以這種方式可用于電機的開關(guān)（ON/OFF）控制。圖55（b）把三極管的發(fā)射極與直流電機連接，改變基極電壓可以控制與發(fā)射極連接的電機的電壓。由于三極管起到可變電阻的作用，所以它會造成電壓降并損耗一定的電能。在低速工作的場合，電壓降較大，導(dǎo)致電能的使用效率下降，所以常用于速度控制。圖55（c）與圖55（a）相似，但是改用大功率MOSFET。大功率MOSFET是電壓驅(qū)動元件，僅僅施加門電壓即可動作，因此電路簡單，可在高速下工作。此外，此類元件工作的熱特性穩(wěn)定，最近使用得越來越多。不過上面介紹的電路只能使電機沿一個固定的方向轉(zhuǎn)動，不大符合機器人的實際要求，因為它不僅需要前進，也需要后退。這時，可以改成56所示的橋式驅(qū)動電路。該電路可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。在圖56中開關(guān)可以采用三極管或FET。（a）正轉(zhuǎn) （b） 反轉(zhuǎn)圖56橋式電路的動作原理（1）圖57借助對角線方向的一對開關(guān)的開閉組合來控制電機的轉(zhuǎn)向，而圖57（a）表示還能利用開關(guān)的開閉實現(xiàn)電機的制動功能。其原理是由于電機線圈兩端處于短路狀態(tài)，當外力企圖使電機轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的反電動勢將起到制動的作用。（a）制動 （b）短路圖57橋式電路的動作原理（2）可是，在橋式電路中，當同側(cè)開關(guān)處于圖57（b）所示的閉合狀態(tài)時，電源實際上將被短路，電路中將出現(xiàn)過大的電流。這時，原來擔負開關(guān)的任務(wù)的三極管或FET將被損壞，因此必須注意避免這種情況的發(fā)生。5．3 直流電機的速度控制用開關(guān)（ON/OFF）控制直流電機，只能控制起轉(zhuǎn)動或停止。實際應(yīng)用的場合，根據(jù)任務(wù)的要求，需要控制直流電機的速度。兩種典型的控制電機速度的方法是改變施加在電機上的電壓以及PWM（脈寬調(diào)制）。第一種方法，如果使用的使三極管，那么控制電路（發(fā)射極?? 跟蹤電路）基本上與電機的開關(guān)控制差不多（參加圖58）。與控制電壓相比，施加在電機上的端電壓僅僅低出（三極管基極與發(fā)射極之間的電壓降）。由于基本上不變，所以化也就是的變化。圖58改變電壓實現(xiàn)速度控制圖58的電路中，電源電壓在三極管的集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生電壓降，會造成集電極發(fā)熱加劇，因此需要對三極管采取散熱措施。特別地，在低電壓、低速轉(zhuǎn)動區(qū)段，三極管中的電壓降低很大，電源效率會顯著降低。第二種方法，即PWM控制就是給DC電機輸入高速的開關(guān)脈沖信號，通過改變脈沖信號開關(guān)的比例，達到速度控制的效果，如圖510所示。圖510 基于PWM的速度控制施加給電機的電壓呈圖68所示的脈沖波形，它的占空比，即信號中ON和OFF的比例也是可以改變的。圖511 PWM控制采用的波形簡單的解釋是，由于在ON的時間內(nèi)施加電壓，OFF的時間內(nèi)切斷電壓，因此電機的轉(zhuǎn)動將是斷續(xù)的。不過在脈沖波形的OFF區(qū)段，電機線圈內(nèi)部存儲的能量能夠產(chǎn)生沿續(xù)流二極管流動的電壓（參見圖510），因此得以繼續(xù)維持轉(zhuǎn)動。由此可見，脈沖波形的比例（占空比）和儲存在電線圈中的能量，以及二極管釋放的能量三者均可以任意改變，這個作用與上面改變電壓的方法類似，同樣能實現(xiàn)速度控制。實際上，為了使電機能平穩(wěn)地工作，脈沖的重復(fù)周期應(yīng)該具有相當程度的快速性。PWM控制的基本電路與ON/OFF控制相同，電路構(gòu)成也很簡單。施加在電機上的PWM信號一般為幾千赫至幾十千赫。在電機的PWM速度控制方法中還可以區(qū)分若干種方法，如將脈沖發(fā)生電路與電機驅(qū)動電路組合、PWM控制專用芯片的硬件控制、以及借助軟件產(chǎn)生脈沖等等。5．4基于L298N的驅(qū)動電路圖512是專用的電機驅(qū)動芯片L298N，如果選用這樣的驅(qū)動芯片，電路設(shè)計就變得非常簡單了。圖512電機驅(qū)動芯片L298N圖513 L298N的管腳功能分布L298N的操作電壓可以高到46V，最大電流可達到4A，有溫度過載保護，也可認為是邏輯“0”。L298N有15個管腳的集成電路，有直插和貼片兩種封裝。雙通道全橋驅(qū)動設(shè)計可以獲取標準TTL邏輯電壓并可驅(qū)動電磁感應(yīng)負載例如繼電器、螺線管、直流和步進電機。它的兩個使能端可以控制芯片與外部輸入信號的通斷。L298N是可獨立控制兩路電機。L298N的邏輯如下圖所示：圖514 L298N的邏輯原理圖正是由于L298N每一路都有單獨的使能控制端，就將外部輸入的PWM信號加在使能端上，就可以很方便的控制電機供電了。圖515 采用L298N驅(qū)動電機電路圖L298N的5（INA1）和7（INA2）腳控制電機的轉(zhuǎn)向，PWM_1是供電使能端，采用PWM控制輸出電壓的有效值，即控制電機轉(zhuǎn)速。見圖514 L298N的邏輯原理圖和圖515采用L298N驅(qū)動電機電路圖，原理如下：在PMW_1=1的前提下：若INA1=1，INA2=0則OUTA1=VS，OUTA2=0，電機兩端有相對電勢差產(chǎn)生轉(zhuǎn)動（假設(shè)正轉(zhuǎn)）；若INA1=0，INA2=1則OUTA1=0，OUTA2=VS，電機兩端有相對電勢差產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，較上一次輸入反轉(zhuǎn)； 若INA1=0，INA2=0則OUTA1=0，OUTA2=0，電機兩端均為0，電機不轉(zhuǎn)動；若INA1=1，INA2=1則OUTA1=VS，OUTA2=VS，雖然電機兩端都有正向電壓，但是電勢差為0，所以不轉(zhuǎn)動。在PMW_1=0時，所有輸出均為0，電機不轉(zhuǎn)動。同理，對于另一個通道也是一個道理。在輸出端加上大功率續(xù)流二極管，可以使電機線圈內(nèi)部儲存的能量維持起繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這樣，一片L298N剛好可以控制兩路電機的起停和轉(zhuǎn)速，就直接可以將其用于控制機器人底盤的后排兩個驅(qū)動輪。通過單片機向驅(qū)動電路輸入控制信號繼而控制驅(qū)動輪的起停和轉(zhuǎn)速，便可以控制機器人的速度、方向了。如果不需要控制電機轉(zhuǎn)速，則可以將PWM控制口直接接在+5V，減少對單片機端口的需求。 學院畢業(yè)設(shè)計 第57頁第6章 智能巡線機器人姿態(tài)調(diào)整方法為了使機器人的巡線更加準確，針對特定場地的情況下，采用適合機器人自身機械特性的算法讓機器人實現(xiàn)準確行走定位是關(guān)鍵。 下面，首先根據(jù)機器人的機械特性，分析了通過直流電機的起或?？刂茩C器人調(diào)整的可能性，然后把傳感器監(jiān)測到的機器人底盤與引導(dǎo)線的相對位置劃分為典型的7種狀態(tài)，做出相應(yīng)調(diào)整方法。最后改進了這種一動一停的校正方法，提出了一個新方法，用PWM控制左右電機的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生速度差，由于左右驅(qū)動輪的速度差值小了，因此可使機器人在調(diào)整過程中減輕晃動，并使行走加快。 總體分析根據(jù)機器人的機械特征，分析了通過直流電機的起或?？刂茩C器人調(diào)整的可能性，然后把傳感器檢測到的機器人底盤與引導(dǎo)線的相對位置劃分為典型的7種狀態(tài)，做出相應(yīng)的調(diào)整策略。改進了一停一動的校正方法，提出了一個新方法，用PWM控制左右電機的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生速度差（圖61），由于左右驅(qū)動輪的速度差值小了，因此可使機器人在調(diào)整的過程中減輕晃動，并使行走加快。機器人底盤長700 mm，寬850 mm。如圖62所示，后排左右輪是兩個獨立的由直流電機驅(qū)動的輪子，前排放置兩個萬向輪。直流電機空載力矩大，可以很好地控制所驅(qū)動的輪子起或停，萬向輪在任何方向都可以實現(xiàn)運動，因此整個機器人的行走方向是依靠后排兩個驅(qū)動輪的起動或者停止來改變的。