小型舞蹈機器人的驅動(dòng)系統設計

關(guān)鍵詞：L298N；舵機；直流電機；隔離；并聯(lián)型穩壓

機器人舞蹈比賽是一項具有極強觀(guān)賞性和趣味性的比賽。比賽規則要求參賽機器人在有限的場(chǎng)地和時(shí)間內，配合音樂(lè )完成動(dòng)作。由于要求機器人既要充分利用場(chǎng)地，又不能超時(shí)和越界，因此，舞蹈機器人集成了多學(xué)科前沿技術(shù)，它的設計涉及了機電一體化技術(shù)、檢測和傳感技術(shù)、精密機械加工和精密機械傳動(dòng)技術(shù)、現代化控制技術(shù)和管理技術(shù)、計算機程序控制技術(shù)等多個(gè)方面。

舞蹈機器人之所以能完成各種流暢的動(dòng)作，在于它身體各運動(dòng)部位都裝有相應的動(dòng)力源（驅動(dòng)電機）。目前在舞蹈機器人中常用的電機有三類(lèi)：直流電機、舵機和步進(jìn)電機。其中直流電機功耗低、力矩大，通常用于閉環(huán)控制系統；舵機控制精確、力矩較??；步進(jìn)電機控制精確、功耗較大、力矩較小，通常用在開(kāi)環(huán)控制系統。根據上述比賽規則要求，本文介紹的機器人選用了直流電機和舵機兩類(lèi)電機，文中重點(diǎn)講述了這兩類(lèi)電機驅動(dòng)系統的設計方法。

１ 系統構成

系統中，直流電機共有四路，分別用于機器人底盤(pán)、頭部的轉動(dòng)以及身體的升降，舵機有兩路，用于花瓣打開(kāi)。本設計從實(shí)際出發(fā)對不同電機采取了不同的驅動(dòng)方式。舵機驅動(dòng)電流僅十幾微安，可以直接使用單片機端口進(jìn)行驅動(dòng)，而直流電機工作電流較大，瞬態(tài)電流接近１Ａ，因此需要采用專(zhuān)用電機驅動(dòng)芯片。此外由于采用了３Ｖ與７Ｖ兩種規格的直流電機，其中７Ｖ直流電機驅動(dòng)信號直接采用驅動(dòng)芯片輸出，３Ｖ直流電機則需對驅動(dòng)芯片輸出作降壓處理，因此，控制芯片選用了Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２單片機。圖１是本驅動(dòng)系統的原理框圖。

２　主要模塊的硬件設計

本驅動(dòng)系統主要由信號隔離模塊、舵機驅動(dòng)模塊、直流電機驅動(dòng)芯片和降壓模塊等部分組成。

２．１ 信號隔離模塊

常見(jiàn)的信號隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統采用光電耦合方式對電機控制信號進(jìn)行隔離，以消除模擬信號對數字信號的干擾。使用的光耦型號為ＴＬＰ５２１－２及ＴＬＰ５２１－４。信號隔離最重要的一點(diǎn)就是將數字與模擬或強電與弱電部分在供電上要完全隔開(kāi)，否則就不能達到真正意義上的隔離。實(shí)際中，光耦兩側使用了兩組不同的電源。本系統需要隔離的信號為舵機控制信號、直流電機啟停信號及其正／反轉信號。其實(shí)現電路如圖２所示。圖中，ＶＣＣ為光耦前的數字電路電源，ＶＣＣ１是光耦后的數字電路電源，ＧＮＤ１是模擬地。

２．２ 驅動(dòng)模塊

本系統有四路直流電機和兩路舵機，由于兩者的工作電流相差較大，故在硬件上將兩者獨立。

圖2

由于舵機自身帶電源(ＶＣＣ)和地(ＧＮＤ)引腳，對其驅動(dòng)只需給出控制信號即可，故可直接用單片機的端口作控制信號線(xiàn)，因而硬件十分簡(jiǎn)單，設計時(shí)只要通過(guò)Ｐ０．０和Ｐ０．１用光耦隔離輸出便可直接控制兩路舵機，圖２中的５２１－２即用于實(shí)現這部分功能。

本系統共有四路直流電機，其中三路采用７Ｖ供電，一路采用３Ｖ供電，因而工作電流較大，瞬時(shí)值可達１Ａ以上，為此，設計中選用了ＳＧＳ公司的Ｌ２９８系列芯片來(lái)完成驅動(dòng)。Ｌ２９８比較常見(jiàn)的是１５腳Ｍｕｌｔｉ-ｗａｔｔ封裝的Ｌ２９８Ｎ，該芯片的額定工作電流為２Ａ，內部包含４通道邏輯驅動(dòng)電路，即一片可帶兩路直流電機，故該系統中使用了兩片Ｌ２９８Ｎ。

圖３是兩路電機的驅動(dòng)電路，為了節約單片機的端口資源，每路直流電機的正／反轉信號控制線(xiàn)均通過(guò)一個(gè)反相器共用一條單片機口線(xiàn)。

２．３ 穩壓模塊

由于本系統中３Ｖ直流電機的工作電流約為８００ｍＡ，為了簡(jiǎn)化設計，降低成本，可以考慮直接使用Ｌ２９８Ｎ來(lái)驅動(dòng)，而Ｌ２９８Ｎ的輸出電壓約為ＶＤＤ?系統中為＋６Ｖ?，因此必須將其降至３Ｖ才能直接驅動(dòng)３Ｖ直流電機。本系統僅要求此直流電機單向轉動(dòng)，故可采用穩壓二極管進(jìn)行穩壓處理。利用穩壓二極管進(jìn)行穩壓時(shí)，多采用并聯(lián)型穩壓方式。

３　結束語(yǔ)

本系統是專(zhuān)為某型舞蹈機器人設計的，因此，軟件的工作大部分是通過(guò)發(fā)送各種指令來(lái)驅動(dòng)相應的電機以使其轉動(dòng)，從而實(shí)現預定編排的舞蹈動(dòng)作。直流電機、舵機的控制均采用ＰＷＭ方式，軟件設計本文不作詳解。

本系統在實(shí)際應用中具有可靠性高、控制到位、抗干擾性強的特點(diǎn)，由其構成的舞蹈機器人曾在全國舞蹈機器人大賽中一舉奪冠。