| 6172007 | 2007-06-27 09:43 |
機器人步進電機驅(qū)動電路與程序設(shè)計1 步進電機簡介 步進電機根據(jù)內(nèi)部線圈個數(shù)不同分為二相制、三相制、四相制等。本文以四相制為例介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖1為四相五線制步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 2 四相五線制步進電機的驅(qū)動電路 電路主要由單片機工作外圍電路、信號鎖存和放大電路組成。我們利用了單片機的I/O端口，通過74373鎖存，由74LS244驅(qū)動，ULN2003對信號進行放大。8個電機共用4bit I/O端口作為數(shù)據(jù)總線，向電機傳送步進脈沖。每個電機分配1bit的I/O端口用作74373鎖存信號，鎖存步進電機四相脈沖，經(jīng)ULN2003放大到12V驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。  （1）Intel 8051系列單片機是一種8位的嵌入式控制器，可尋址64K字節(jié)，共有32個可編程雙向I/O口，分別稱為P0～P3。該系列單片機上集成8K的ROM，128字節(jié)RAM可供使用。 （2）74LS244為三態(tài)控制芯片，目的是使單片機足以驅(qū)動ULN2003。ULN2003是常用的達林頓管陣列，工作電壓是12V，可以提供足夠的電流以驅(qū)動步進電機。關(guān)于這些芯片的詳細介紹可參見它們各自的數(shù)據(jù)手冊。 （3）74373是電平控制鎖存器，它可使多個步進電機共用一組數(shù)據(jù)總線。我們用P1.0～P1.7作為8個電機的鎖存信號輸出端，見表1。   3 程序設(shè)計 傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動程序利用簡單的條件循環(huán)來發(fā)送脈沖序列，但當電機數(shù)目發(fā)生變化時，編程繁雜，冗余代碼較多，難以做到信號占空比一致，進而產(chǎn)生“抖動”現(xiàn)象。下面提出一種基于中斷服務方式，面向舞蹈動作，可實時改變各個電機速度和方向（每200ms可改變一次）的程序設(shè)計方法。 3．1 速度歸一化和線性關(guān)系 我們將速度量化成一個-128～127內(nèi)可變的數(shù)，正號代表正轉(zhuǎn)，負號代表返轉(zhuǎn)，稱之歸一化速度（-128～127為一個字節(jié)）。給每個電機分配一個速度累加計數(shù)器speed_tickers(I=0,1,2…,7分別代表8個電機)，初始值為0，每個中斷觸發(fā)周期內(nèi)給該累加計數(shù)器加上從舞步信息數(shù)組dancedata中讀取的速度值speeds，當計數(shù)器值大于或等于預設(shè)的閾值MAX_SPEED_TICKER=600時，則發(fā)送脈沖序列中的下一個（正轉(zhuǎn)）或上一個（反轉(zhuǎn)）給步進電機，這取決于速度的符號（參考3.2節(jié)）。同時，將該電機的累加計數(shù)器speed_tickers恢復為0。給出的速度值speed越大，則累加達到或超過閾值MAX_SPEED_TICKER的時間就越短，那么向步進電機發(fā)送脈沖的頻率就越高，速度也就越快。 歸一化速度值設(shè)為num（-128～127），電機實際旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為V，那么V和num之間滿足關(guān)系式： （1）當num是閾值600的約數(shù)時，  其中，[x]代表不超過x的最大整數(shù)。 （3）V0是一個速度常數(shù)，即當歸一化速度值num=120的時候?qū)碾姍C實際速度。 （4）num和速度V近似線性關(guān)系，V∝num。正是因為有了這種函數(shù)關(guān)系，我們在舞蹈動作控制中，可以輕松實現(xiàn)速度在  大范圍內(nèi)變化。 3．2 速度正負實現(xiàn)方式 （1）在程序中，數(shù)組steps[8]用于存放步進電機的脈沖序列。  （2）設(shè)置指針cur_step[8]指向8個電機當前處在脈沖序列step[8]中的位置。 易知：0 <=step<=7，其中，i分別代表8個電機。 （3）設(shè)置指針移動變量delta=0。delta=1，指針向后移動一步，電機正轉(zhuǎn)；delta=-1，指針向前移動一步，電機反轉(zhuǎn)；delta=0，指針不移動，電機不發(fā)生轉(zhuǎn)動。 3．3 程序具體步驟 3．3．1初始化計時器InitTimer，然后空循環(huán)，進入等中斷階段。 3．3．2 中斷觸發(fā)后，程序進入服務程序。 （1）執(zhí)行函數(shù)SetAllSpeeds，函數(shù)根據(jù)提供的速度值speed依次判斷是否給各個電機發(fā)送脈沖，實現(xiàn)電機以特定的速度和方向旋轉(zhuǎn)。SetAllSpeeds具體算法流程見圖3。 （2）從定義的數(shù)組dancedata中讀取新的速度信息，每200ms一次。 （3）將系統(tǒng)在調(diào)用中斷處理函數(shù)時關(guān)閉的計時器重新打開InitTimer。 （4）中斷處理函數(shù)結(jié)束返回。 注意：第一，（1）和（2）不可交換，這是為了保證步進電機每步延時的均勻性；第二，內(nèi)部中斷間隔時間1ms內(nèi)，8051是否能夠?qū)⒅袛喾⻊粘绦蛑兴械拇a執(zhí)行完全？答案是肯定的。參考圖4，我們對整個中斷服務程序進行了統(tǒng)計，它所要執(zhí)行的指令數(shù)在200～300之間變化，時鐘間隔設(shè)置為1ms，選用12MHz晶振，執(zhí)行這些指令需要耗時約500～600μs<1ms，因此，中斷處理完全可以在一個計時器周期內(nèi)執(zhí)行完畢。  3．4 舞蹈編排 在舞蹈編排中，我們面向的是動作，因此，必須關(guān)心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中，舞步信息數(shù)組格式如下：   每組數(shù)據(jù)含有8個字節(jié)，分別代表8個電機的歸一化速度num，這點在3.1節(jié)中已經(jīng)做了詳細分析。程序每200ms讀一次數(shù)據(jù)，換句話說，每組數(shù)據(jù)的有效期只有200ms。我們分析表2一組數(shù)據(jù)代表的含義。  （1）組數(shù)為25，這隱含了動作的時間信息。因為每組數(shù)據(jù)的有效期為200ms，所以，25組數(shù)據(jù)的執(zhí)行時間為：200ms×25=5000ms （2）左腳和右腳（輪式）的歸一化速度相等，方向相反。根據(jù)公式（1）可以知道 V=0.5×V0 所以，機器人以0.5V0的速度原地轉(zhuǎn)圈5000ms。 （3）其它關(guān)節(jié)的歸一化速度num=0，說明其它關(guān)節(jié)均無動作。 3．5 可視化輔助程序簡介 我們發(fā)現(xiàn)一個簡單的動作競需要5組數(shù)據(jù)，5分鐘的舞蹈需要  組數(shù)據(jù)（需占用1.5K存儲空間，AT89C52足夠）。如果人工填寫這些數(shù)據(jù)，將十分困難。因此在實際的運用中，我們用C+Builder編寫了機器人模擬程序，采用圖形界面，預一化速度和時間信息，寫入data.h，只要將其作為頭文件，電機驅(qū)動程序?qū)⒆詣幼x取。 4 電路和程序特點總結(jié) （1）一塊單片機控制多個步進電機，總線分時復用。 （2）程序基于中斷服務，電機工作穩(wěn)定可靠。 （3）提出歸一化速度，實現(xiàn)了速度V大范圍可變。 （4）數(shù)據(jù)更新每200ms一次，可以輕松控制各個電機實時加速、減速、爆發(fā)，從而使舞蹈更人性化、感情化。這也正是我們允許數(shù)據(jù)量大的原因。 （5）輔助程序?qū)崿F(xiàn)編程可視化。 文末是中國科大首屆機器人舞蹈比賽中用到的程序?qū)嵗?   
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