【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 置傳感器檢測(cè)磁鋼位置后，控制相電流通斷實(shí)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(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維修簡(jiǎn)便、變速不受換向條件限制、高速運(yùn)行、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。如果采用PWM控制，只需要通過(guò)軟件改變PWM波的占空比就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對(duì)提高移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的靈活性非常有用。另外，隨著具有PWM輸出的單片機(jī)在機(jī)器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的越來(lái)越多。對(duì)比二者的特點(diǎn)，尤其是考慮到使用單片機(jī)作為控制器時(shí)設(shè)計(jì)的可靠性，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就選用帶減速器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）電機(jī)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面： 具有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能夠克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)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(hào)的變換； 電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 直流電機(jī)的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉(zhuǎn)的同時(shí)可以立刻響應(yīng)，并且可以產(chǎn)生相當(dāng)大的力矩阻止機(jī)器人由于慣性繼續(xù)向前移動(dòng)； 直流電機(jī)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。除此之外，DC直流電機(jī)相對(duì)其他電機(jī)來(lái)說(shuō)運(yùn)動(dòng)起來(lái)平穩(wěn)，而且噪聲小。 這里選用上海朗能機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZYT60JB80永磁直流電機(jī)。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(shí)物形狀如下圖所示圖51 機(jī)器人巡線驅(qū)動(dòng)用的直流電機(jī)及減速器 直流電機(jī)的低速性能是偏軟的，為使電機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)下，必須根據(jù)巡線機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行需要，選擇合適的減速器。另外電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，對(duì)于巡線機(jī)器人來(lái)說(shuō)，容易在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候因慣性而循跡失敗，所以它的速度在6km/小時(shí)左右就可以滿足要求。 根據(jù)機(jī)器人中一些主要零件的參數(shù)，對(duì)其電機(jī)減速器的減速比計(jì)算如下： 后輪驅(qū)動(dòng)輪的直徑：。 驅(qū)動(dòng)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(duì)所選的減速器，對(duì)巡線機(jī)器人的移動(dòng)速度進(jìn)行再計(jì)算：減速后輪子的轉(zhuǎn)速：；輪子的轉(zhuǎn)速 ： ；（）經(jīng)過(guò)上面的校核計(jì)算，得知選用減速比為1：10的減速器滿足這次設(shè)計(jì)的需要。經(jīng)過(guò)以上對(duì)電機(jī)和減速器相關(guān)分析計(jì)算后，我們可以最后確認(rèn)電機(jī)和減速器的型號(hào)。由于電機(jī)、減速器，輪子都要安裝在機(jī)器人的下面，當(dāng)機(jī)器人的體積和底面的面積是一定時(shí)，電機(jī)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(jī)到輪子中間的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，取而代之的是與電機(jī)相配的小型減速器，該減速器安裝在電機(jī)上后，整個(gè)尺寸不過(guò)280作用長(zhǎng)，直徑90mm左右，其質(zhì)量比較輕，，=（kgmm）。 所選電機(jī)性能校核在智能巡線機(jī)器人機(jī)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(dòng)部分以及支持部分都采用扁鋼為材料，機(jī)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(gè)萬(wàn)向輪與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪共同分擔(dān)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪受力如圖所示。圖52 輪子的受力驅(qū)動(dòng)輪在減速器的驅(qū)動(dòng)下，克服與地面間的摩擦力F1 旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)向分別與地面間同樣在機(jī)體重力及貨物重力的作用下存在一定的摩擦力F2。當(dāng)F1 F2 時(shí),驅(qū)動(dòng)輪才不至于打滑或空轉(zhuǎn)。初定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)雙輪承受重力的60%，兩個(gè)萬(wàn)向輪承受其余的40%，取驅(qū)動(dòng)輪輪胎與地面間的摩擦系數(shù)?=，驅(qū)動(dòng)輪直徑=15cm,支撐輪直徑D2=4cm.單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力： （）單個(gè)支撐輪承受的正壓力： （）單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪克服的摩擦力： （）單個(gè)支撐輪承受的摩擦力： （）在一定的轉(zhuǎn)矩作用下驅(qū)動(dòng)輪克服摩擦力，則轉(zhuǎn)向輪處于從動(dòng)狀態(tài)。而在轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)下，一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪將推動(dòng)兩個(gè)萬(wàn)向輪運(yùn)動(dòng)，從而在這種要考慮兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦阻力。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)承受的最大阻力： （）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)所需的電機(jī)的功率： （）PnomP，故所選電機(jī)滿足要求。5．2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的手和腳，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本組成部分，它的任務(wù)不僅是向機(jī)器人傳遞動(dòng)力，而且要提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定位和靈活的操作。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣、液壓、氣壓三種方式。本設(shè)計(jì)采用電氣驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。將直流電機(jī)與直流電源或電池連接就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。不過(guò)作為機(jī)器人的動(dòng)力使用時(shí)，必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)（ON/OFF）和轉(zhuǎn)動(dòng)方向等控制。使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)與電源的連接以恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)DC電機(jī)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(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。圖54 DC電機(jī)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(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。繼電器電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是由于利用機(jī)械觸點(diǎn)，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(dòng) （b）發(fā)射極驅(qū)動(dòng) （c）大功率MOSFET圖55直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖55（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機(jī)連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機(jī)的電流。由于驅(qū)動(dòng)力大，所以這種方式可用于電機(jī)的開(kāi)關(guān)（ON/OFF）控制。圖55（b）把三極管的發(fā)射極與直流電機(jī)連接，改變基極電壓可以控制與發(fā)射極連接的電機(jī)的電壓。由于三極管起到可變電阻的作用，所以它會(huì)造成電壓降并損耗一定的電能。在低速工作的場(chǎng)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(dòng)元件，僅僅施加門(mén)電壓即可動(dòng)作，因此電路簡(jiǎn)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(lái)越多。不過(guò)上面介紹的電路只能使電機(jī)沿一個(gè)固定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不大符合機(jī)器人的實(shí)際要求，因?yàn)樗粌H需要前進(jìn)，也需要后退。這時(shí)，可以改成56所示的橋式驅(qū)動(dòng)電路。該電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。在圖56中開(kāi)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(dòng)作原理（1）圖57借助對(duì)角線方向的一對(duì)開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉組合來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，而圖57（a）表示還能利用開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。其原理是由于電機(jī)線圈兩端處于短路狀態(tài)，當(dāng)外力企圖使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)將起到制動(dòng)的作用。（a）制動(dòng) （b）短路圖57橋式電路的動(dòng)作原理（2）可是，在橋式電路中，當(dāng)同側(cè)開(kāi)關(guān)處于圖57（b）所示的閉合狀態(tài)時(shí)，電源實(shí)際上將被短路，電路中將出現(xiàn)過(guò)大的電流。這時(shí)，原來(lái)?yè)?dān)負(fù)開(kāi)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(jī)的速度控制用開(kāi)關(guān)（ON/OFF）控制直流電機(jī)，只能控制起轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合，根據(jù)任務(wù)的要求，需要控制直流電機(jī)的速度。兩種典型的控制電機(jī)速度的方法是改變施加在電機(jī)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(jī)的開(kāi)關(guān)控制差不多（參加圖58）。與控制電壓相比，施加在電機(jī)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(shí)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(huì)造成集電極發(fā)熱加劇，因此需要對(duì)三極管采取散熱措施。特別地，在低電壓、低速轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)段，三極管中的電壓降低很大，電源效率會(huì)顯著降低。第二種方法，即PWM控制就是給DC電機(jī)輸入高速的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，通過(guò)改變脈沖信號(hào)開(kāi)關(guān)的比例，達(dá)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(jī)的電壓呈圖68所示的脈沖波形，它的占空比，即信號(hào)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(jiǎn)單的解釋是，由于在ON的時(shí)間內(nèi)施加電壓，OFF的時(shí)間內(nèi)切斷電壓，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將是斷續(xù)的。不過(guò)在脈沖波形的OFF區(qū)段，電機(jī)線圈內(nèi)部存儲(chǔ)的能量能夠產(chǎn)生沿續(xù)流二極管流動(dòng)的電壓（參見(jiàn)圖510），因此得以繼續(xù)維持轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，脈沖波形的比例（占空比）和儲(chǔ)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(gè)作用與上面改變電壓的方法類似，同樣能實(shí)現(xiàn)速度控制。實(shí)際上，為了使電機(jī)能平穩(wěn)地工作，脈沖的重復(fù)周期應(yīng)該具有相當(dāng)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(jiǎn)單。施加在電機(jī)上的PWM信號(hào)一般為幾千赫至幾十千赫。在電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路圖512是專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，如果選用這樣的驅(qū)動(dòng)芯片，電路設(shè)計(jì)就變得非常簡(jiǎn)單了。圖512電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)到4A，有溫度過(guò)載保護(hù)，也可認(rèn)為是邏輯“0”。L298N有15個(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)可以獲取標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電壓并可驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)負(fù)載例如繼電器、螺線管、直流和步進(jìn)電機(jī)。它的兩個(gè)使能端可以控制芯片與外部輸入信號(hào)的通斷。L298N是可獨(dú)立控制兩路電機(jī)。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(dú)的使能控制端，就將外部輸入的PWM信號(hào)加在使能端上，就可以很方便的控制電機(jī)供電了。圖515 采用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路圖L298N的5（INA1）和7（INA2）腳控制電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。見(jiàn)圖514 L298N的邏輯原理圖和圖515采用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)兩端有相對(duì)電勢(shì)差產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)（假設(shè)正轉(zhuǎn)）；若INA1=0，INA2=1則OUTA1=0，OUTA2=VS，電機(jī)兩端有相對(duì)電勢(shì)差產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，較上一次輸入反轉(zhuǎn)； 若INA1=0，INA2=0則OUTA1=0，OUTA2=0，電機(jī)兩端均為0，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；若INA1=1，INA2=1則OUTA1=VS，OUTA2=VS，雖然電機(jī)兩端都有正向電壓，但是電勢(shì)差為0，所以不轉(zhuǎn)動(dòng)。在PMW_1=0時(shí)，所有輸出均為0，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，對(duì)于另一個(gè)通道也是一個(gè)道理。在輸出端加上大功率續(xù)流二極管，可以使電機(jī)線圈內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量維持起繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，一片L298N剛好可以控制兩路電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)速，就直接可以將其用于控制機(jī)器人底盤(pán)的后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。通過(guò)單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路輸入控制信號(hào)繼而控制驅(qū)動(dòng)輪的起停和轉(zhuǎn)速，便可以控制機(jī)器人的速度、方向了。如果不需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，則可以將PWM控制口直接接在+5V，減少對(duì)單片機(jī)端口的需求。 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第57頁(yè)第6章 智能巡線機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整方法為了使機(jī)器人的巡線更加準(zhǔn)確，針對(duì)特定場(chǎng)地的情況下，采用適合機(jī)器人自身機(jī)械特性的算法讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確行走定位是關(guān)鍵。 下面，首先根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械特性，分析了通過(guò)直流電機(jī)的起或?？刂茩C(jī)器人調(diào)整的可能性，然后把傳感器監(jiān)測(cè)到的機(jī)器人底盤(pán)與引導(dǎo)線的相對(duì)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(jìn)了這種一動(dòng)一停的校正方法，提出了一個(gè)新方法，用PWM控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生速度差，由于左右驅(qū)動(dòng)輪的速度差值小了，因此可使機(jī)器人在調(diào)整過(guò)程中減輕晃動(dòng)，并使行走加快。 總體分析根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械特征，分析了通過(guò)直流電機(jī)的起或?？刂茩C(jī)器人調(diào)整的可能性，然后把傳感器檢測(cè)到的機(jī)器人底盤(pán)與引導(dǎo)線的相對(duì)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(jìn)了一停一動(dòng)的校正方法，提出了一個(gè)新方法，用PWM控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生速度差（圖61），由于左右驅(qū)動(dòng)輪的速度差值小了，因此可使機(jī)器人在調(diào)整的過(guò)程中減輕晃動(dòng)，并使行走加快。機(jī)器人底盤(pán)長(zhǎng)700 mm，寬850 mm。如圖62所示，后排左右輪是兩個(gè)獨(dú)立的由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪子，前排放置兩個(gè)萬(wàn)向輪。直流電機(jī)空載力矩大，可以很好地控制所驅(qū)動(dòng)的輪子起或停，萬(wàn)向輪在任何方向都可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此整個(gè)機(jī)器人的行走方向是依靠后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的起動(dòng)或者停止來(lái)改變的。