机器人行走机构调速方法研究

杨立志　许文静

摘要：步进电机需要在运行过程中一直提供一定节拍的脉冲，如果脉冲由CPU定时提供，将占用大量的CPU时间，导致CPU无法顾及其它事务。为了克服这种情况，该文对脉冲发生电路和调速电路进行了设计，使其相对独立于CPU进行工作，减轻了CPU负担，提高了机器人工作效率。

关键词：机器人；调速电路；步进电机

中图分类号 TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）08-1908-05

1 概述

行走机构是机器人的重要组成结构，机器人机器人在运行过程中一方面要实时检测周围的环境信息，并依据这些信息对自身当前的运行姿态做出调整，比如根据周围的障碍信息采取避障措施，根据由电子罗盘读取的角度信息以及自身的运行历史确定当前所处方位。根据运行路况决定运行速度，根据地面垃圾情况决定吸尘功率。根据电量情况及方位信息决定返回充电坞的时刻等。这些信息的获取及获取后的决策都需要消耗大量的CUP时间，而如果同时又依靠单片机通过I/O定时提供脉冲及其他信号驱动电机将会给任务安排、中断控制等很多方面造成困难，最终影响机器人的运行效果，导致一些意想不到的情况发生。如电机走走停停，机器人识别到前方障碍反而加速前行等。

为使机器人行走控制部分与传感信号处理部分互相独立达到既能减轻CPU负担，又不影响对电机的实时控制的目的，在设计中采取以下措施来改善电机的控制方法：

1）通过脉冲发生电路单独为两路步进电机提供运行脉冲。

2）通过调速电路调节脉冲频率变化，为电机调速提供支持。

3）主控单元只负责向调速电路提供调速数据及控制电机起停。

其中内外资源管理单元主要完成系统内各主要部件如液晶显示模块，机器人运动速度、距离、姿态、方位，地面灰度等传感器件及灯光报警器件的管理和CPU时钟、中断等软件资源的分配、初始化任务。外部信号采集单元依据资源管理单元对各传感器的管理策略，完成外部信号采集任务。运动决策单元对采集到的外部信号进行处理并参照运动历史数据对机器人当前的运动方式，方位，速度等进行调整，最终完成预定任务。运动方式、运动方位由主控单元直接对执行电路进行干预，而运动速度由主控单元将相关参数设置给调速电路，具体调节工作由调速电路自行完成。

执行电路采用L297/L298组合电路实现，电路原理图如图4示。L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制两相双极和四相单相步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可在开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。L298N为15个管脚的单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载（比如继电器，直流和步进马达）和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为 1 A，最大可达 1.5 A，Vss 电压最小 4.5 V，最大可达 36 V；Vs 电压最大值也是 36 V。L298N可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。

L297加L298组成的步进电机控制电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且计算机（或单片机）硬件 费用大大减少，控制双极步进电机工作电流可达2.5A。

3 结论

通过改变计数分频电路的预置数，对调速模块进行了测试，实验结果表明本文设计能够达到预期效果。

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