【導(dǎo)讀】隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大，套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)器人演示系統(tǒng)。本文闡述了機(jī)器人的發(fā)展歷程，國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，閉環(huán)控制；以89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)的鍵盤管理和LCD顯示，并以單CPU分時(shí)控制形式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動的點(diǎn)位控制方式。最后設(shè)計(jì)制定出利用本演示系統(tǒng)所開設(shè)的幾個實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書。

　　

【正文】 45BF003 性能參數(shù) （ 1）相數(shù)： 3 （ 2）分配方式 3 向 6 拍 （ 3）步距角 1。 5 度 （ 4）相電流 2。 5 安 （ 5）電壓： 27V （ 6）最大靜轉(zhuǎn)距 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 驅(qū)動電路的研制 恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的研制 驅(qū)動電路的選擇 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，有的結(jié)構(gòu)簡單但性能較差，如基本型，有的性能好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，且難以調(diào)試，如晶閘管型、斬波型等。教學(xué)機(jī)器人控制精度要求不高，工作頻率在幾百赫茲左右，工作電流在 15A，不聯(lián)系工作。為簡化電路，降低成本，我們選定單電壓、恒流源功放電路，用晶體管及相關(guān)電路構(gòu)成的恒流源代替基本型中的 Rc，組成恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。這種 電路不太復(fù)雜，安裝、調(diào)試簡單，改變電阻 Re，增減串聯(lián)二極管個數(shù)，可以很方便的改變工作電流，以適用不同步進(jìn)電機(jī)。這種電路的缺點(diǎn)是高頻特性差，但工作要求不高，所以可以使用。 恒流源型功率放大電路原理圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 1 7 J u n 2 0 05 S he e t o f F i l e : F : \黃亞東 \圖 \電路圖 .D D B D r a w n B y:D 1 2I N 5 4 04M O T O RB U 4 08N7R 1 410B U 4 08N8R 1 81 00R 1 53 00N9B U 3 26D 1 0I N 4 0 07D9I N 4 0 07D 1 1I N 4 0 07R 1 71R 1 61 00R 1 351U2 圖 42 恒流源型功率放大電路原理圖 ：電路元件和參數(shù)的確定 與續(xù)流二極管串聯(lián)的電阻 RD的對電流的波形的下降沿影響很大，小則電機(jī)繞組的電流泄放時(shí)間長，電流波形下降沿邊差，增大 RD 能改善下降沿，但開關(guān)管承 受的反電壓回增大，容易將開關(guān)管擊穿，因此 RD 也不應(yīng)過大，一般取 50～ 100? ，我們?nèi)?51? ，功率 10W，泄放二極管為 IN5404，前置放大管采用 BU408，耐反電壓 PCEO＞ 400V，最大電流 TCM =5A，耗散功率PCM=60W，相配電阻 Re1為 300? ， R2 為 10? 。 開關(guān)管采用 BU508，耗散功率， PCM=125W，最大電流 TCM =8A，恒流源管采用 BU326，耗散功率， PCM=60W，最大電流 TCM =8A，恒流源三極管集電極電阻 100? 。 恒流源上的限流電阻計(jì)算為： R=U? ?*N /I 其中 N 恒流源上二極管個數(shù) I 設(shè)計(jì)的工作電流 為二極管壓降 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 這里用的二極管為 IN4007，根據(jù)電機(jī)所需的工作電流，可適當(dāng)選取二極管個數(shù) N 及限流電阻 Re. 本電路選取 N=3， Re=～ 1? ，這樣單向電壓可達(dá)， 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的研制 機(jī)器人三個自由度及手爪開合驅(qū)動采用了步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，其核心采用8051 單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動所需的環(huán)形脈沖直接由 8051 輸出口輸出，省掉環(huán)形分配器，控制框圖如下 行脈沖發(fā)出環(huán) 機(jī)器人相應(yīng)自 由 度步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 電 路單片機(jī) 圖 43 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制框圖 雙極型 PWM直流力矩電機(jī)的驅(qū)動電路的研制 雙極型 PWM 功放電路如下圖 N1， P1 為達(dá)林頓管， N1 為 NPN 型 TIP31C，最大電流 3A，最大耗散功率為 40W，耐反電壓 100V， P1 與 N1 管參數(shù)相同，但為 PNP 型 TIP32B， 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 1 7 J u n 2 0 05 S he e t o f F i l e : F : \黃亞東 \圖 \電路圖 .D D B D r a w n B y:127 41 4 A127 41 4 A2317 40 1 A2317 40 1 AR1R2T L P 5 2 1T L P 5 2 1+ 5VT I P 3 1CP N PT I P 3 2BN P NM O T O RR3R6R4T1T2+ 30 V0 3 0 VR5直流電源 圖 44 雙極型 PWM 功率放大器原理圖 D1， D2 為泄放二極管，用以保護(hù) N1， P1 不被擊穿。光電偶合管為 TLP521，將數(shù)字電路與模擬電路隔開， 7401 為二輸入與非門，正邏輯； 7414 為六反向器，正邏輯。下面介紹工作原理： 光電偶合管前部分的 數(shù)字電路邏輯功能為 A? = AB ， BAB?? ， 真值表如圖： 表格 1 直流電機(jī)控制信號邏輯電路真值表 1111111110000010B39。A39。A B 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 當(dāng)輸入信號 A， B 為 0， 1 時(shí)， A? =1， B? =0，此時(shí) B? 路 光偶導(dǎo)通R3 電阻有電流通過， a 點(diǎn)電位升高，達(dá)林頓管 N1 飽和導(dǎo)通， P1 截止， +45V電壓幾乎全加在直流電機(jī)上，使直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。 當(dāng)輸入信號 A， B 為 1， 0 時(shí)， A? =0， B? =1，此時(shí) A? 路光偶導(dǎo)通 R4電阻有電流通過，達(dá)林頓管 P1 飽和導(dǎo)通， N1 截止， 45V電壓幾乎全加在直流電機(jī)上，使直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)輸入信號 A， B 為 00 或 11 時(shí)， A? =1， B? =1，即高電平，此時(shí)兩路全截止，兩達(dá)林頓管基極軍無電流通過而截止，此時(shí)電機(jī)繞組無電流通過，即停止。 當(dāng)輸入信號為相位相反的脈沖信號時(shí)，達(dá)林頓管 N1， P1 交替導(dǎo)通，截止，調(diào)整脈沖頻率可使直流電機(jī)處于所定狀態(tài)，改變輸入脈沖的占空比，可改變電機(jī)運(yùn)行方向和速度。 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， ：光電碼盤的選擇 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)中，對位置精度要求不高，直流電機(jī)反饋選用從長春光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的分辨率 2020 的光電碼盤器作為位置反饋元件，其輸出為 TTL 電平 ， 5V方波脈沖信號，所需電源電壓 +5V輸出波形為： 第二路信號第一路信號 辨向電路的研制 光電碼盤直接安裝在直流電機(jī)的主軸上，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中，即有正轉(zhuǎn)也有反轉(zhuǎn)，這樣光電碼盤輸出的脈沖信號即有正轉(zhuǎn)的也有反轉(zhuǎn)的 。為了準(zhǔn)確的檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，必須辨別光電碼盤的轉(zhuǎn)動方向。這種辨別碼盤轉(zhuǎn)動方向的電路稱為辨向電路，原理如圖： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 圖表 1 辨向電路原 理圖 從碼盤輸出的兩路信號 Ue,Uf 在相位上互差 90 度。設(shè)正向運(yùn)動時(shí)Uf 超前于 Ue90 度，則此時(shí) Ue 的上升沿 AA? 對應(yīng)于 Uf 的高電平，反向移動時(shí) Ue 超前于 Uf90 度，這時(shí) Ue 的上升沿 BB? 對應(yīng)著 Uf 的低電平。據(jù)此可以判別碼盤的轉(zhuǎn)動的方向。 我們采用一片單穩(wěn)態(tài)觸法器 74LS221和一片與非門 74LS00來夠成辨向電路如下圖： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ABCD121110987654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA1D a t e : 1 7 J u n 2 0 05 S he e t o f F i l e : F : \黃亞東 \圖 \電路圖 .D D B D r a w n B y:光電編碼盤1237 4L S 0 0A0 .0 1 uF1237 4L S 0 0A0 .0 1 uF+ 5VC20 .4 7 uF+ 5VR5KC10 .4 7 uF+ 5VR5KA1B2C L R3Q4Q13C e x t14R C e x t157 4L S 2 21 A4 K 7A1B2C L R3Q4Q13C e x t14R C e x t157 4L S 2 21 A 圖 45 辨向電路原理圖 單穩(wěn)態(tài)觸法器 74LS221 只有一個穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)沒有外加信號時(shí)，輸出 Q 為低電平；在出發(fā)脈沖的作用下，輸出 Q 為高電平，并停留一段時(shí)間自動返回低電平。此處“停留”時(shí)間在數(shù)十毫秒到數(shù)十秒范圍內(nèi)變化。它由外加電阻Rext 和外加電容 Cext 決定，可以大致按以下公式計(jì)算： Tw=Rext*Cext*Ln2 其中 ： 電容 C 單位為法拉 Tw 單位為秒 將第一路方波信號同時(shí)送入 74LS221 的上升沿觸發(fā)端 A 和下降沿觸發(fā)端B 可以得到兩路窄脈沖（其中脈沖寬度由外接電阻，電容調(diào)節(jié)） e 上 ， e 下，將 e 上、 e 下分別與第二路方波信號 Uf 進(jìn)行與非運(yùn)算，輸出分別送入兩個計(jì)數(shù)器，進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣當(dāng)碼盤正向運(yùn)動時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 有脈沖，而計(jì)數(shù)器 2 沒有脈沖輸入；當(dāng)反向運(yùn)動時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 無脈沖輸入而計(jì)數(shù)器 2 有脈沖輸入，由此達(dá)到辨向的目的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 前面介紹了直流電機(jī)的驅(qū)動電路和辨向電路，這里加上控制核心單片機(jī)，就形成了直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖辨向電路光電碼盤機(jī)器人 手腕直流電機(jī)電機(jī) 功 放電路單片機(jī) 在本系統(tǒng)中，直流電機(jī)用在機(jī)器人的腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)上?？紤]到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少 手部、腕部的質(zhì)量，直流電機(jī)與其直接相連，直流電機(jī)采用直接驅(qū)動方式。在這種方式下，要求電機(jī)輸出較高的轉(zhuǎn)距，較低的轉(zhuǎn)速，因此我們選用直流力矩電機(jī)。 我們用軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)伺服控制，由單片機(jī)輸出脈沖信號，啟動PWM 功率放大電路，驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動。光電碼盤將轉(zhuǎn)動的角位移轉(zhuǎn)化成脈沖信號，經(jīng)辨向電路輸入給單片機(jī)的兩個計(jì)數(shù)器，單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)器的值，并轉(zhuǎn)化成角位移，然后與直流電機(jī)的預(yù)期位置進(jìn)行比較，利用其差值的正負(fù)和大小來補(bǔ)償直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的位置。當(dāng)差值的絕對值小于直流電機(jī)位置容許誤差時(shí)，停止轉(zhuǎn)動。這樣就實(shí)現(xiàn)了直流電 機(jī)位置的閉環(huán)控制。 以單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制 機(jī)器人控制核心的研制 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 89C51 作為控制核心需進(jìn)行擴(kuò)展，本機(jī)器人自由度有 5 個，需四個步進(jìn)電機(jī)和兩個直流電機(jī)，而控制脈沖有 89C51 輸出，這樣 89C51 原由的 I/O 口不夠用，需進(jìn)行擴(kuò)展，我們采用擴(kuò)展 8255A 芯片。 一、器件的選擇 CPU選擇： 89C51 擴(kuò)展口芯片： 8255A 地址鎖存器： 74LS373 晶振：使用片外震蕩電路，頻率 12MHZ，電容 微法 5：復(fù)位電路：采用上電自動復(fù)位 二：接線方式參照電路原理圖 鍵盤和顯示部分的研制 一個完整的控制系統(tǒng)必須包括輸入、輸出部分，本系統(tǒng)采用鍵盤做輸入，LCD 為顯示部件。 一：鍵盤的工作原理 鍵盤是一種行列矩陣結(jié)構(gòu)，如下圖： 圖 46 鍵盤工作原理圖 鍵盤采用線反轉(zhuǎn)法具體步驟： 將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并是輸出線輸出畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 全為零，則行線中電平由高到低所在的行為按鍵所在行。 同第一步相反，將行線編程為輸出線 ，并使輸出線輸出全為零，則列線中電平有高到低的所在列為按鍵所在列。 綜合這兩步的結(jié)果，可確定按鍵所在的行和列，從而識別所按的鍵。 二： LCD 液晶顯示結(jié)構(gòu)和顯示原理 （ 1）系統(tǒng)選用點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊 MDLS16165，其基本的特點(diǎn)： 液晶顯示屏是以若干個 5179。 8 或 5179。 11 點(diǎn)陣快組成的顯示字符集。每個點(diǎn)陣塊為一個字符位，字符間距和行距為一個點(diǎn)的寬度。