小型舞蹈機器人的驅動系統(tǒng)設計

關鍵詞：L298N；舵機；直流電機；隔離；并聯(lián)型穩(wěn)壓

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

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

１ 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)中，直流電機共有四路，分別用于機器人底盤、頭部的轉動以及身體的升降，舵機有兩路，用于花瓣打開。本設計從實際出發(fā)對不同電機采取了不同的驅動方式。舵機驅動電流僅十幾微安，可以直接使用單片機端口進行驅動，而直流電機工作電流較大，瞬態(tài)電流接近１Ａ，因此需要采用專用電機驅動芯片。此外由于采用了３Ｖ與７Ｖ兩種規(guī)格的直流電機，其中７Ｖ直流電機驅動信號直接采用驅動芯片輸出，３Ｖ直流電機則需對驅動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是本驅動系統(tǒng)的原理框圖。

２　主要模塊的硬件設計

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

２．１ 信號隔離模塊

常見的信號隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統(tǒng)采用光電耦合方式對電機控制信號進行隔離，以消除模擬信號對數(shù)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就是將數(shù)字與模擬或強電與弱電部分在供電上要完全隔開，否則就不能達到真正意義上的隔離。實際中，光耦兩側使用了兩組不同的電源。本系統(tǒng)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。其實現(xiàn)電路如圖２所示。圖中，ＶＣＣ為光耦前的數(shù)字電路電源，ＶＣＣ１是光耦后的數(shù)字電路電源，ＧＮＤ１是模擬地。

２．２ 驅動模塊

本系統(tǒng)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，因而硬件十分簡單，設計時只要通過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即用于實現(xiàn)這部分功能。

本系統(tǒng)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，瞬時值可達１Ａ以上，為此，設計中選用了ＳＧＳ公司的Ｌ２９８系列芯片來完成驅動。Ｌ２９８比較常見的是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通道邏輯驅動電路，即一片可帶兩路直流電機，故該系統(tǒng)中使用了兩片Ｌ２９８Ｎ。

圖３是兩路電機的驅動電路，為了節(jié)約單片機的端口資源，每路直流電機的正／反轉信號控制線均通過一個反相器共用一條單片機口線。

２．３ 穩(wěn)壓模塊

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

３　結束語

本系統(tǒng)是專為某型舞蹈機器人設計的，因此，軟件的工作大部分是通過發(fā)送各種指令來驅動相應的電機以使其轉動，從而實現(xiàn)預定編排的舞蹈動作。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(tǒng)在實際應用中具有可靠性高、控制到位、抗干擾性強的特點，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。