小型舞蹈機器人的驅動系統設計

關鍵詞：L298N；舵機；直流電機；隔離；并聯型穩壓

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，通常用于閉環控制系統；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電機，文中重點講述了這兩類電機驅動系統的設計方法。

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、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是本驅動系統的原理框圖。

２　主要模塊的硬件設計

本驅動系統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，故該系統中使用了兩片Ｌ２９８Ｎ。

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

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。本系統僅要求此直流電機單向轉動，故可采用穩壓二極管進行穩壓處理。利用穩壓二極管進行穩壓時，多采用并聯型穩壓方式。

３　結束語

本系統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送各種指令來驅動相應的電機以使其轉動，從而實現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。