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基于 PLC 机器人 本体 设计 论文 DWG 图纸 外文 翻译 文献 综述 开题 报告

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皇 _棚 2 00 5 一 笺 _9 一 一种小型移 动机 器人 的电机控 制系统设计 罗 均 ， 崔坤征 ， 谢 少荣 ， 龚振 邦 ( 上海大学 ， 上海 2 0 0 0 7 2 ) A Co nt r o l S y s t e m o f M o t or s i n a Sma l l M ob i l e Ro bo t L U O J u n， CU I K u nz h e n g， X I E S h a or o n g， G O NG Z h e nb a n g ( S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) 摘要 ： 利用两 个有刷直流 电动机分别控制机 器人的两 个驱动轮 ， 使用单 片机 P I C 1 6 F 8 7 7与 H桥芯片 S N 7 5 4 4 1 0组 成 电动机可逆控制及 调速 系统。并根 据有刷 直流 电动 机的 特点 ， 设计 了一种简单实用 的测速 电路 ， 对单 个 电机形 成速 度单闭环控制 。对两 电机使用差速法控制 ， 实现机器人 的各 种运动 。 关键词 ： 有刷 直流电动机 ； 调速 ； 测速 ； 机 器人 中图分类号 ： T M3 3 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 4 7 0 1 8 ( 2 0 0 5 ) 0 9 0 0 2 5 0 3 Abs t r a c t：Th i s s y s t e m us e d t wo br u s h DC mo t o r s t o c o n t r o l t wo wh e e l s r e s p e c t i v el y，a n d us e d t he PI C1 6F 87 7 an d t he ha l f H c h i p S N 7 5 4 4 1 0 t o r e a l i z e r e v e r s i b l e c o n t r o l a n d s p e e d r e g u l a t i o n A c h ea p a n d u s e f u l s p e e d me a s ur i ng c i r c ui t was de s i gn e d， wh i c h s t r u c t u r e d s p e e d c l o s el o o p f o r s i n g l e mo t o r An d t h e d i f - f e r e n t i a l s p e e d me t h o d w a s u s e d t o h a r mo n i z e t wo mo t o r s mo t i o n Ke ywo r ds： b r us h DC mo t o r s； s p e e d r e g u l a t i on： s p e e d me a s ur i n g； r o b o t l引 言 电机根据使用场所及控制性能等要求 的不同， 具体的控制方法也会不同。本电机控制系统是一种 超小型 自主轮式移动机器人中的一部分 ， 该机器人 具有避障的功能 ， 即在运动过程中可利用携带 的多 种传感器来获取周围环境信息。识别机器人运动路 径 中的静态或动态障碍物， 并根据这些信息进行局 部的路径规划以实时避开障碍物。图 l为机器人原 型图。电机系统作为机器人运动 的执行机构， 需具 备高度的可控性及快速的反应能力。 图 1 机器 人原 型 收稿 13 期 ： 2 0 0 5 0 31 6 基金项 目： 上海市教委青年基金( 0 3 A Q 8 1 ) 2电机控制 系统 方案 为 了增加机器人运动 的灵活性 ， 系统中使用两 个电动机分别控制两个驱动轮 ， 外加一 个随动轮相 辅助 的三轮结构。电机选择 的是小型有刷直流电动 机 ， 额定工作电压 1 2 V， 额定电流 0 6 6 m A。系统原 理 图如 图 2所 示 。 传 苴 _ 1 H 卜 一 感 片 器 机 NP WM 两 个 有 刷 系 系 卜 直 流 电 动 机 统 统 图 2系统 原 理 图 ： 系统控制器为 Mi c r o c h i p公 司的 P I C 1 6 F 8 7 7单 片机 ， 其内部包含 P WM模块 。它与 T I 公司的 H桥 驱动芯片 S N 7 5 4 4 1 0结合组 成两路 电机控制及调速 系统 。利用 P WM 实现 电机调速 ， 并在试验过程 中； 根据所选电机的特点 ， 设计 了一种简单实用且 的测 速 电路， 构成速度闭环。在测速的基础上 ， 对两电机i 利用差速控制 ， 同时为了增加机器人避障 中的实时 性 。将传感器系统作为单独的模 块 ， 对传感器信 息； 进行处理 ， 只将处理结果传给电机系统 。电机系统 中单片机的供电电压为 5 V， 电机的供 电电压为 1 2 i V， 为了防止 电机的干扰 ， 及 防止电机返 回电流对单； 种 片机造成损坏 ， 中间用光耦隔离。整个 系统结构简 单， 成本较低。 登 !驯 ： 加 3测速系统 嚣 i 为了改善电机的控制性能及实现对机器人运动! 的精确控制， 需要获取电机的速度信 皂 、 。电动机的 揆 测速方法有很多， 常用的有借助于光电编码器 、 霍尔 制 器件、 测速电机及反射式光电传感器等来实现。光 磊 电编码器可同时得到电机的转 向和转速信息且测量 精度高， 但是价格 昂贵 ； 测速电机需要占用一定的空 间； 霍尔器件及光 电传感器需要 的电路复杂 ， 而且精 度 不 高 易 受 干 扰 。 因 此 本 系 统 没 选 用 这 些 方 法 ， 而 一 维普资讯 驱动控制 触持电棚 2 0 0 5 年 第 9 期 口 -一- 是结合所选电机 的特点设计 了一套新 的测速电路 ， 经使用效果不错 ， 测速 电路如图 3所示。 +5 V ： 图 3测 速 电 路 3 1测 速原理 该电路 只适用于有刷直流电动机 ， 有刷直流电 动机通常有两个电刷和 3 5个换 向器， 电动机每转 过一圈 ， 每个电刷就会与换向器碰撞 61 0次 ， 电刷 与换 向器相碰撞 时， 会产 生一个小小 的尖峰脉 冲。 ；这些脉冲周期很短， 通常只有几微秒。相邻脉冲的 时间间隔会随电机转速 的不同而变得 不均匀 ， 但是 每一转内所产生的脉冲数是一定的。如果能捕捉到 这些脉冲并进行计数 ， 就可获得电机的速度。 3 2电路详解 当电机工作时 ， 电刷与换 向器相撞 ， 产生小尖峰 脉冲， 脉冲通过 C， ， 使 C 右端 的电压保持在 1 0 1 5 V之间 ， 其值与所选 电机及负载有关。电容 C 的作用是滤掉直流成分。可调电阻 R 的作用是使 晶体管偏置 ， 它使输入晶体管基极 的电压保持在 0 1 V之 间， 当基极输入电压达到 0 7 V时 晶体管 导通。每一个尖峰脉冲通过 ， 基极电压大于 0 7 V， 晶体管导通一段很短 的时间， 这时晶体管输 出端 电 压 0 V。无脉冲通过时， 晶体管截止 ， 这时输出电压 为 5 V。当电机工作时， 尖峰脉 冲循环通过 ， 晶体管 在导通 和截止两个状态间循 环交替 ， 从而使 晶体管 输 出端输出脉冲。计数器记 录这些脉 冲， 根据单位 时间内的脉冲数就可算 出电机的转速 。电容 C 的 种 作用是把陡且快 的脉冲变得平 滑且变宽 ， 因此可 以 增加晶体管输入脉冲的长度 ， 增加可靠性。二极管 登 D ， 起保护作用。R ， 的主要作用是阻挡尖峰脉冲流 机 回电源 ， 而使其进入测速 电路 。当电源离 电机较远 ) c 时也可省略 3 3电路调试注意事项 ! ( 1 )电容c 和C ： 的数值很难确定， 需反复试 制 验。他们的数值取决于使用的电机的情况 ， 一般 C 磊 可以选择 1 0 0 4 7 0 p F之间。如果电容太小， 将漏掉 一部分脉冲， 且脉 冲短且微弱 ； 电容数值太大 ， 噪声 会 比较大 ， 可能会捕捉到无用脉冲 ， 使测量结果不准 确 一 ( 2 ) 当 有 负 载 的 时 候 ， 电 机 需 要 更 大 的 电 流 ， 所 以换向器与电刷碰撞产生的尖峰脉冲会变大。为了 使电路给出的输出脉 冲更加可靠 ， 因此调试电路时 ， 最好先使电机工作在最小负载， 调节可调电阻直到 输出脉冲变得稳定 ， 然后增加负载。输 出脉 冲将轻 微变长 ， 使计数更加可靠。 整个电路 的结构非常简单 ， 当电机两端 电压变 换时， 电阻 R 同样起阻挡作用 ， 电路仍可工作， 原理 同上 。但是该 电路也存在不足 ， 它不能像光 电码盘 那样可同时获得电机的转速和转向信息 。它只能给 出电机的速度信息 ， 而无法提供转 向信息。但是测 量速度的效果非常好 ， 而且结合软件设定， 即根据电 机当前方向控制指令可知该 电机 当前 的转向 ， 然后 将测得转速与时间相乘就可得到机器人在某个方 向 匕 运行的距离。 4调速 系统 要控制机器人的运动， 需要在获得电机速度 的 情况下按要求对其进行调速。本 系统 中， 要使机器 人按要求工作， 需要对两个 电机同时调控 ， 使其协调 工作 ， 这里用到差速控制方法 ， 即同时获取两个电机 的速度， 与机器人在局部路径 规划过程 中得 出的控 制信号相结合 ， 得 出每个 电机的调控量。对于单个 电机的调速则使用脉宽调速 ( P WM) 方法。 本系统的控制器 P I C 1 6 F 8 7 7单 片机功 能强大， 内部集成 了两路 P WM 输 出， 用于本系统 电机的调 速控制， 既减少 了外 围电路设计又节 省了成本 。驱 动芯 片选 用 的是 T I 公 司 的 H 桥 芯 片 S N 7 5 4 4 1 0 ， 该 芯片包含 四个各 自独立 的半桥 ， 本 系统将其两两结 合组成双 H桥 ， 实现两台电机的可逆控制。每个 H 桥有各 自的使能 ( E N A B L E) 控制端 ， 每个半桥都有 1 m A的驱动能力 ， 而本系统所用电机的额定 电流为 0 6 6 m A， 完全能满足需要 。 图 4是调速 系统的连接电路 ( 不含测速电路) 。 P I C 1 6 F 8 7 7中 的 R C 1和 R C 2为 P WM 输 出端 口， 将其 分别 与 S N 7 5 4 4 1 0的使 能端 1 ， 2 E N 和 3 ， 4 E N相连， 当改变输入使能端 的 P WM信 号的 占空 比时 ， 就可控制 相应 H桥输 出端 的平 均电压 ， 从而 达到调速的 目的。同时按照使能端 、 输入引线和输 出引线 的逻辑关系 ， 可控制各 个电机 的转向 、 停 止 等 ， 从而达到实现机器人各种运动的目的。 5系统 的软件设计 P I C 1 6 F 8 7 7使用精 简指令集 ， 仅 3 5条指令 ， 给 编程提供了方便 。当机器人起动 ， 电机运转 ， 测速电 路工作 ， 测速结果保存在外部计数器 8 2 5 3中， 同时 定 时器T 开始计 时 ， 当T 溢 出时 ， 发生 中断 ， 调用 维普资讯 儆持电棚 2 0 0 5 年 第 9 期 U1 2 驱动控制 。一。一一。一。 一一。一c - ， ，。 图 4 调速 及转向控制系统电路 中断子程序 ， 读取外部计数器的值 ， 可得两电机在该 定时时间段内的平均速度。同时传感器系统获取周 围环境的信息 ， 判断障碍物的有无 ， 若有则进行局部 路径规划 ， 得出路径规划结果 ， 送人 P I C 1 6 F 8 7 7中并 与当前速度结合得出电机下一步的运动指令 ， 使两 电机协调工作 ， 避开 障碍物。程 序流程图如 图 5 、 6 所示 图 5系统 软件流程图 图 6 T 中断程序流程图 6结 语 本 电机 控 制 系统 利 用 P I C 1 6 F 8 7 7和 S N 7 5 4 4 1 0 组成两路 电机 的可逆调速 系统 ， 并结合所使用 电机 的特点 ， 设计了一种测速电路 ， 很好地实现 了电机的 测速及调速控制 。系统电路结构简单 、 成本低 、 使用 效果 良好 ， 满足 了机器人运动控制的需要。 参考文献 1 黄立 培 电动机控制 M 北京 ： 清华大学 出版社 2 0 0 3 2 刘 和平 ， 黄开长 严厉平 ， 潘伟峰译 P I C 1 6 F 8 7 7数据手册 M 北京 ： 北 京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 1 3 T I 公 司 S N 7 5 4 4 1 0 Q U A D RU P L E H AL FH D R I V E Rf M T e x a s I n s t r u me n t s I n c o r po r a t e d， 1 9 9 5 l 4 Ka r a T E k e r I N o n l i n e a r c l o s e dl o o p d ir e c t i d e n t i fi c a t io n o f a