移动机器人驱动电路设计与实现 (毕业设计47页、14465字)

摘要: 机器人的驱动电路是机器人本体最底层的执行单元，决定了机器人工作的稳定性与高效率，为了更好地驱动移动机器人本体，有必要对驱动电路进行优化设计。本驱动电路设计中选择相电压12V，相电流0.5A步进电机作为主要动力单元，设计结构包括：电源单元、下载电路单元、脉冲分配单元、光耦隔离单元、功率驱动单元与人机接口单元。电源部分是直接购买12V直流稳压电源，通过MC7805将其转换为5V直流稳定电压，分别为其它单元提供电压；脉冲分配单元是采用的AT89C51单片机，通过编程对功率驱动单元TA8435H芯片进行控制，以达到驱动步进电机的目的；光耦隔离部分的作用在于消除电机对单片机的干扰，可以起到保护作用；人机接口部分是采用的开关电路，通过开关的开和断以及程序的控制，实现对电机正反转及调速的控制。本驱动电路最终完成实现了步进电机的正反转及调速控制，从而达到了机器人的行走的控制。

关键字：脉冲分配；光耦隔离；功率驱动；机器人
 

Design and Implementation of Mobile Robot Driving 　Circuit

Abstract:. Moblie robot driver circuit is the bottom implementation unit of itself, it decides the stability and high efficiency of moving robot. To drive moving robot better, it is necessary to optimize the drive circuit design.　Based on the topic of the moving robot to actuate the circuit design and realization, selecting phase voltage 12V, phase current 0.5A’s step motor makes an actuation electric circuit, including: Power unit, downloading electric circuit unit, pulse assignment unit, Opto-couplers isolation unit, power actuation unit, man-machine connection unit. The power unit directly purchases the 12V direct current voltage-stabilized source, through MC7805 transform it into the 5V voltage, respectively provides the voltage to other units; The pulse assignment unit uses the 89C51 to control the power actuation unit TA8435H chip by program. The Opto-couplers isolation partial functions lie in eliminate electrical interference on the MCU, which may get up the protective function; The man-machine interactive part is the switching circuit, which uses opens and breaks through the switch as well as the procedure control, realizes reversing and the velocity modulation control to the step motor. The rotating direction and speed control of the stepper motor was implemented in design.

KEY WORDS: Pulse assignment, Opto-couplers isolation, Power drive, Robot

目    录
第1章 绪  论 1
1.1 机器人的发展背景 1
1.2 机器人驱动电路发展现状 1
1.3 电动机的类型 3
1.4 课题来源和主要研究内容 4
1.5 本章小结 4
第2章 设计方案 5
2.1 电动机的选择 5
2.2 细分设计方案论证 6
2.2.1 方案一：L297+L298 6
2.2.2 方案二：89C51+TA8435H驱动 7
2.2.3 方案选定 9
第3章 硬件设计 11
3.1 下载电路设计 11
3.2 脉冲分配电路设计 12
3.3 光耦隔离电路设计 13
3.4 功率驱动电路设计 14
3.5 电源电路设计 18
第4章 软件设计与调试 19
4.1 引言 19
4.2 下载口及中断 19
4.2.1 下载口 19
4.2.2 中断控制 19
4.3 程序设计 21
4.4 硬件调试 21
4.5 软件调试 22
4.6 整机调试 22
结论与展望 23
致谢 26
参考文献 26
附录1　设计原理图 29
附录2　基于TA8435H芯片步进电机的单片机控制C程序: 30
附录3　设计PCB图 31
附录4　设计3D效果图 32
 

第1章　绪　　论
1.1  机器人的发展背景
机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术共同发展的一个综合性的结果，同时，也为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加速了经济的发展。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，在改造自然、认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求。
1.2  机器人驱动电路发展现状
1、直流伺服电动机驱动器
直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制（PWM）伺服驱动器，通过改变脉冲度来改变加在电动机电枢两端的平均电压，从而改变电动机的转速。PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。
2、同步式交流伺服电动机驱动器
同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。
同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制（PWM）相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，它又可分为两种伺服系统：
1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。
2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。
采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机，采用正波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。
3、步进电动机驱动器
步进电动机是将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的元件，它的角位移和线位移量与脉冲数成正比。转速或线速度与脉冲频率成正比。在负载能力的范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，误差不长期积累，步进电动机驱动系统可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，实现快速起动、正反转制动。作为一种开环数字控制系统，在小型机器人中得到较广泛的应用。但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不平衡等缺点，一般只用于小型或简易型机器人中。步进电动机所用的驱动器，主要包括脉冲发生器、环形分配器和功率放大等几部分。
4、直接驱动
所谓直接驱动（DD）系统，就是电动机与其所驱动的负载直接耦合在一起，之间不存在任何减速机构。
同传统的电动机伺服驱动相比， DD驱动减少了减速机构，从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动，极大地提高了机器人的精度，同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点，在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起人们的重视。
作为DD驱动技术的关键环节是DD电动机及其驱动器。它应具有以下特性：
1）输出转矩大：为传统驱动方式中伺服电动机输出转矩的50～100倍。
2）效率：与采用合理阻抗匹配的电动机（传统驱动方式下）相比， DD电动机是在功率转换较差的使用条件下工作的。因此，负载越大，越倾向于选用较大的电动机。
目前，DD电动机主要分为变磁阻型和变磁阻混合型，有以下两种结构型式：
l）双定子结构变磁阻型DD电动机；
2）中央定子型结构的变磁阻混合型DD电动机。
5、特种驱动器
1）压电驱动器。众所周知，利用压电元件的电或电致伸缩现象已制造出应变加速度传感器和超声波传感器，压电驱动器利用电场能把几微米到几百微米的位移制在高于微米级大的力上，所以压电驱动器一般用于特殊用途的微型机器人系统中。
2）超声波电动机。
3）真空电动机，用于超洁净环境下工作的真空机器人，例如用于搬运半导体片的超真空机器人等。
1.3  电动机的类型
1、按工作电源分类
根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。
2、按结构及工作原理分类 
电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。
异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。
3、按起动与运行方式分类 
电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。
4、按用途分类 
电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。
驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。
控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。
5、按转子的结构分类 
电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。
6、按运转速度分类
电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。
调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。
1.4  课题来源和主要研究内容
设计题目为移动机器人驱动电路设计与实现。 主要研究内容是: 针对移动机器人的用途，和执行单元的特点，了解直流电机的相关知识，研究步进电机等的工作原理和驱动方法，设计功能相对完善的驱动电路。本设计做的是一个步进电机的细分驱动电路，步进电机选择相电压为12V，相电流为0.5A的。因此，在电源方面直接用12V的直流稳压电源，再通过MC7805将其转为5V，就能满足电源的要求。脉冲分配部分采用AT89C51单片机，功率驱动部分采用TA8435H芯片（能自动细分），另外，还在这两个部分之间加入了光耦隔离电路，起到保护作用。软件方面，采用C语言编程对TA8435H芯片进行控制，以实现对步进电机的行为控制。
1.5  本章小结
本章主要阐述了机器人发展的背景,电机驱动电路的发展现状以及电动机的分类情况。在这里只是对机器人的基础知识作了简要的介绍，在后面的章节里，将对设计方案、硬件、软件作较为详细的阐述。