基于無刷直流電機(jī)的輪式機(jī)器人設(shè)計探討

張騏

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

1 簡介

本文描述的是一臺使用無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動輪的輪式機(jī)器人。該機(jī)器人采用經(jīng)典的三輪設(shè)計，包含兩個前輪和一個支撐輪，可以圍繞位于機(jī)器人后部的垂直軸自由旋轉(zhuǎn)，此設(shè)計可以方便地控制機(jī)器人的位置和移動速度。機(jī)器人主體上有一個開/關(guān)按鈕，一個用于與計算機(jī)通信的Wi-Fi天線。該機(jī)器人由鋰聚合物電池供電，容量為3000mAh，可連續(xù)工作8小時。機(jī)器人的外觀如圖1。

控制系統(tǒng)的整體設(shè)計思想圍繞使用型號為ATmega128A的微控制器控制無刷直流電機(jī)展開。單板機(jī)根據(jù)從傳感器接收的信號產(chǎn)生控制動作，通過RS-232協(xié)議發(fā)送給下級控制板。下級控制板配有兩個微控制器，其中一個負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，另一個用于執(zhí)行操作命令，將輸入信號轉(zhuǎn)換為矩形脈沖（PWM）信號，并作為輪式機(jī)器人電動機(jī)輪控制板的輸入信號。電動機(jī)輪的控制系統(tǒng)采用P控制器和PID控制器共同作用調(diào)節(jié)。

2 工作原理

2.1 無刷直流電機(jī)換向

圖1 機(jī)器人的外觀

我們選擇無刷直流電機(jī)作為輪式機(jī)器人的兩個驅(qū)動輪。為了簡化描述，我們僅討論三繞組型三相無刷直流電機(jī)。為了引起轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，必須以一定的順序使電流通過定子繞組，也就是說，電流的方向決定了繞組產(chǎn)生的磁場的方向，再由旋轉(zhuǎn)的磁場帶動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。所以，只要在特定的時間按照一定的順序改變通過繞組中的電流，就能改變磁場的極性，從而帶動電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)采用電子方式實(shí)現(xiàn)繞組電流換向。最簡單的方法是根據(jù)位于電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器的狀態(tài)，找到所需輸出的對應(yīng)的狀態(tài)。三相無刷直流電機(jī)有六個換向狀態(tài)，三個霍爾傳感器相隔電角度放置，當(dāng)其感受N和S兩個不同極性磁場的作用時，會呈現(xiàn)出高電平“1”和低電平“0”兩種輸出狀態(tài)。輸出的三個信號用3位二進(jìn)制的編碼表示。

2.2 使用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制

三個數(shù)字霍爾傳感器的輸出作為轉(zhuǎn)子位置的編碼器，將磁體的位置和極性信息發(fā)送給邏輯電路，作用于驅(qū)動電路。要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，首先要根據(jù)霍爾傳感器輸出的轉(zhuǎn)子目前所在位置，依照定子繞線決定導(dǎo)通（或關(guān)斷）晶體管的順序，使電流依序流經(jīng)電機(jī)繞組，并產(chǎn)生相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)磁場，再帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。直到電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到霍爾傳感器輸出另一組位置信號時，再導(dǎo)通（或關(guān)斷）下一組晶體管。即根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁體的位置，每對功率管會相應(yīng)地導(dǎo)通或關(guān)斷，從而在正確的時間，以正確的順序?yàn)殡姍C(jī)繞組提供電流。為了使無刷直流電機(jī)的速度可變，必須在繞組的兩端加以可變電壓。通過控制PWM信號不同的占空比，控制繞組上的平均電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用單片機(jī)時，也可以實(shí)現(xiàn)電橋上的PWM控制?？刂破鲿鶕?jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度與霍爾傳感器信號的變化速度進(jìn)行比對，用以決定下一組晶體管的導(dǎo)通（或關(guān)斷）的情況，以及導(dǎo)通（或關(guān)斷）的時間。導(dǎo)通時間增加，速度增大，反之亦然。

3 構(gòu)建輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 設(shè)計速度反饋回路

為了調(diào)節(jié)電動機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)速度，開發(fā)了一種雙回路控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由具有PID控制器的外部速度控制電路和具有P控制器的內(nèi)部電流控制電路組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電動機(jī)輪速控制系統(tǒng)的示意圖

3.2 機(jī)輪速度控制板的搭建

為了實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)，開發(fā)并制造了基于8位Atmel ATmega128A微控制器的控制板?？刂葡到y(tǒng)由Atmel ATmega128A微控制器、典型的六管構(gòu)成的三相橋式逆變器和IR2132驅(qū)動器組成。ATmega128A是一款基于AVR增強(qiáng)型RISC架構(gòu)的低功耗CMOS 8位微控制器，可以每秒執(zhí)行100萬條指令，其外部還設(shè)有兩個8位和兩個16位具有比較功能和PWM模式的定時計數(shù)器，完全滿足了帶有PID控制器的外部速度控制電路的控制要求。高速光電耦合器用于輸入和輸出之間需要高電壓隔離的模擬信號或數(shù)字信號接口。這里選用HCPL-2531型號的光電耦合器，連接微控制器和無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路兩部分，同時，較晶體管具有更好的抗干擾性和隔離性。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路選用IR2132作為驅(qū)動器。IR2132是一款用于MOS晶體管和IGBT晶體管的高壓，高速驅(qū)動器，具有獨(dú)立的上層輸出通道和下層輸出通道。IR2132最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需1個供電電源，即可同時控制六個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序。HIN1-HIN3，LIN1-LIN3是逆變器上橋臂和下橋臂的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效，HO1-HO3，LO1-LO3則為信號輸出端。IR2132內(nèi)部具有電流保護(hù)電路，F(xiàn)AULT引腳在過流或欠壓狀態(tài)會輸出制動信號，關(guān)斷輸出信號。IR2132內(nèi)部還具有電流比較電路，設(shè)定電機(jī)比較電流，使其適用于對不同功率電機(jī)的控制。系統(tǒng)工作時，使用場效應(yīng)晶體管的橋式逆變器向電動機(jī)繞組提供電壓。位于控制板上的非接觸式霍爾傳感器用于測量電機(jī)電流。借助安裝在機(jī)輪內(nèi)部的霍爾傳感器的信號，通過計算隨脈沖周期增加而調(diào)整的速度值來確定機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)速度。給定的速度信號為寬度可變且頻率恒定為50Hz的脈沖信號。為便于調(diào)試微控制器程序，控制板上安裝了電位計，撥動開關(guān)和用于與計算機(jī)通信的串行端口連接器。微控制器程序是用C語言編寫的。選擇塊算法作為電動機(jī)繞組電流換向的算法。在這種情況下，在機(jī)輪中的霍爾傳感器的狀態(tài)能精確地規(guī)定換向時間，從而保證恒定的同步。所以即使發(fā)動機(jī)已停止，也不需要重新同步，而只需增加繞組兩端的電壓，即改變輸入逆變器晶體管的柵極的PWM信號即可，也就構(gòu)成了具有P控制器的內(nèi)部電流控制電路。輪式機(jī)器人有兩個控制板，每個電機(jī)輪一個。

4 下級控制板的設(shè)計

第三節(jié)所介紹的電動機(jī)機(jī)輪速度控制板，其實(shí)是從下級控制板接收信號并開始工作的。這個下級控制板安裝有兩個通過I2C協(xié)議連接的8位微控制器，加速度計，陀螺儀，壓力傳感器，指南針，GPS接收器，以及一個超聲波測距儀。其中第一個微控制器從以上所有的傳感器中接收并處理數(shù)據(jù)，再通過I2C接口以恒定的頻率將它們傳輸給第二個傳感器。第二個微控制器電機(jī)輪速度控制板相連，從電機(jī)輪速度控制板獲取當(dāng)前機(jī)輪的轉(zhuǎn)速值，并向控制板發(fā)送轉(zhuǎn)速要求。還可以通過RS-232串行協(xié)議向單板計算機(jī)發(fā)送傳感器讀數(shù)和兩個電機(jī)輪的速度。單板機(jī)，也就是上級控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，經(jīng)過下級控制板，使兩個電機(jī)輪能從相應(yīng)地速度控制板接收任務(wù)。除此之外，這個下級控制板也可以看作是用于連接上級和下級元件之間的緩沖板。

5 空間移動設(shè)想

除了針對以上速度和通信控制系統(tǒng)的研究設(shè)計，該三輪機(jī)器人項目正在開發(fā)空間移動和模式識別程序。在文章起始處的控制系統(tǒng)示意圖中，單板機(jī)除了與下級控制板相連，還配有一個深度傳感器和一個RGB相機(jī)。希望三輪機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避開障礙物獨(dú)立行走的功能，甚至可以基于從機(jī)器人到周圍物體的距離的測量，在困難條件下找出最佳運(yùn)動路線。使用深度相機(jī)，可以基于從機(jī)器人到物體的距離的測量來在困難條件下構(gòu)建最佳運(yùn)動軌跡。

深度傳感器向空間發(fā)射紅外線，并使用帶紅外濾光片的相機(jī)讀取物體輪廓，以獲得周圍空間深度的圖片。使用Qt開發(fā)的OpenNI，可以識別機(jī)器人前方對象的輪廓。同時，使用RGB相機(jī)解決模式識別的問題，先識別一種顏色的區(qū)域，再在該區(qū)域里尋找另一種顏色的區(qū)域，如果能夠找到，則圖像識別完成。

6 結(jié)語

加入深度傳感器和RGB相機(jī)后，這將會是一臺具有計算機(jī)視覺的三輪機(jī)器人。機(jī)器人可以使用周圍空間的三維掃描儀自主移動，或者沿預(yù)定路徑移動，或者按照某種方式移動，還可以根據(jù)來自Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計算機(jī)的操作員命令移動。這些計劃將進(jìn)一步改善這臺人工智能機(jī)器人，使其在工業(yè)領(lǐng)域甚至其他領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用景。