舞动机器人在步进电机中应用

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1、工业机器人设计（论文）题目：舞蹈机器人在步进电动机中的应用 姓名：付书敏 学号：20092005063 班级：09 机电一体化 3 班平顶山工业职业技术学院 年月日平顶山工业职业技术学院第 1 页摘 要摘 要：本 文 从 驱 动 系 统 的 角 度 介 绍 了 舞 蹈 机 器 人 步 进 电 机 驱 动 电 路 和 程 序设 计 。电 路 采 用 74373 锁 存 ，74LS244 和 ULN2003 作 电 压 和 电 流 驱 动 ，单片 机 AT89C55 工 作 脉 冲 序 列 信 号 发 生 器 。 程 序 设 计 基 于 中 断 服 务 和 总 线分 时 复 用 方 式 ， 实 时

2、 更 新 各 个 电 机 的 速 度 和 方 向 。关 键 词 ： 驱 动 ， 步 进 电 机 ， 舞 蹈 机 器 人 ， 单 片 机 ， 中 断 服 务 ， 速 度累 加 计 数 器 ， 归 一 化 速 度第 一章第 一章. .工 业机 器人 驱 动系 统工 业机 器人 驱 动系 统1.11.1 工 业 机 器 人 驱 动 系 统 的 分 类工 业 机 器 人 驱 动 系 统 的 分 类工业机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本驱动类型。根据需要，可采用由这三种基本驱动类型的一种，或合成式驱动系统。1.21.2、 对 驱 动 装 置 的 要 求、 对 驱 动 装

3、置 的 要 求1.驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。2.反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。3.动作平滑，不产生冲击。4.控制灵活，位移偏差和速度偏差小。5.安全可靠6.操做维修方便等1.3 驱 动 方 式 的 发 展平顶山工业职业技术学院第 2 页20 世 纪 70 年 代 后 期 ，日 本 安 川 电 动 机 公 司 研 制 开 发 了 第 一 台 全 电 动的 工 业 机 器 人 ，而 此 前 的 工 业 机 器 人 基 本 上 采 用 液 压 驱 动 方 式 。于 采 用 液压 驱 动 的 机 器 人 相 比 ， 采 用 伺 服 电 动 机 驱 动

4、的 机 器 人 在 响 应 速 度 、 精 度 、灵 活 性 等 方 面 都 有 很 大 的 提 高 。因 此 ，也 逐 步 替 代 了 采 用 液 压 驱 动 的 机 器人 ， 成 为 工 业 机 器 人 驱 动 方 向 的 主 流 。 在 此 过 程 中 ， 谐 波 减 速 器 、 RV 减速 器 等 高 性 能 减 速 机 构 的 发 展 也 功 不 可 没 。近 年 来 ，交 流 伺 服 驱 动 已 经 逐渐 取 代 传 统 的 直 流 伺 服 驱 动 方 式 。 直 流 电 动 机 等 新 型 驱 动 方 式 在 许 多 应 用领 域 也 有 长 足 发 展 。1.41.4 电 力

5、驱 动 的 分 类电 力 驱 动 的 分 类1.电力驱动的分类（1）按照电机的工作原理不同分为步进电机、直流伺服电机、无刷电机等。（2）按照控制水平的高低来看分为开环控制系统和闭环控制系统。2.电力驱动的适用范围：适合于中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。1.51.5 步 进 电 机 驱 动 装 置 的 工 作 原 理步 进 电 机 驱 动 装 置 的 工 作 原 理1.5.11.5.1 步 进 电 机 的 结 构 ：步 进 电 机 的 结 构 ：1.定子：定子铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子磁极上均有控制绕组，且有均匀分布的小齿2.转子：由转子铁芯和转轴组成。转子铁心同样由

6、硅钢片叠加而成。转子上没有绕组，其上也有均匀分布的小齿。通常定子磁极上的小齿和转子上的小齿其齿宽和槽宽都是一样的。但他们之间的相对位置按一定的规律排列。如当 A 相定子小齿和转子小齿对准时，B、C平顶山工业职业技术学院第 3 页相的定子小齿就会和转子小齿的小齿错开。错齿是步进电动机能过步进的根本原因1.5.2.1.5.2.步 进 电 机 的 工 作 原 理步 进 电 机 的 工 作 原 理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

7、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，一般只应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大部分，其原理框图如图 1 所示。图 1 步进电动机驱动器原理框图A、B、C 相电流通常来自于机器人控制系统步进电动机工作原理图（1）平顶山工业职业技术学院第 4 页三步进电动机结构图：第 二章第 二章 . .舞 蹈机 器人 步 进电 机驱 动电 路 和程 序设 计舞 蹈

8、机 器人 步 进电 机驱 动电 路 和程 序设 计2.12.1 步 进 电 机 简 介步 进 电 机 简 介步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图 2 为四相五线制步进电机内部结构示意图。平顶山工业职业技术学院第 5 页图 22.22.2 四 相 五 线 制 步 进 电 机 的 驱 动 电 路四 相 五 线 制 步 进 电 机 的 驱 动 电 路电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的 I/O端口， 通过 74373 锁存， 由 74LS244 驱动， ULN2003 对信号进行放大。 8 个电机共用 4bi

9、t I/O端口作为数据总线，向电机传送步进脉冲。每个电机分配 1bit 的 I/O 端口用作 74373 锁存信号，锁存步进电机四相脉冲，经 ULN2003 放大到 12V 驱动电机运转。电路原理图（部分）如图 3 所示。图 3（1）Intel 8051 系列单片机是一种 8 位的嵌入式控制器，可寻址 64K 字节，共有 32 个可编程双向 I/O 口，分别称为 P0P3。该系列单片机上集成 8K 的 ROM，128 字节 RAM 可供使用。平顶山工业职业技术学院第 6 页（2）74LS244 为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动 ULN2003。ULN2003 是常用的达林顿管阵列，工作电

10、压是 12V，可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。（3） 74373 是电平控制锁存器， 它可使多个步进电机共用一组数据总线。 我们用 P1.0P1.7 作为 8 个电机的锁存信号输出端，见表 1。左肩1右肩1左肩2右肩2左肘右肘左脚右脚P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7表 1这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省 I/0 口，使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制 8 个。2.32.3 程 序 设 计程 序 设 计

11、传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列， 但当电机数目发生变化时，编程繁杂，冗余代码较多，难以做到信号占空比一致，进而产生“抖动”现象。下面提出一种基于中断服务方式，面向舞蹈动作，可实时改变各个电机速度和方向（每 200ms 可改变一次）的程序设计方法。2.2.3 3 1 1 速 度 归 一 化 和 线 性 关 系速 度 归 一 化 和 线 性 关 系我们将速度量化成一个-128127 内可变的数，正号代表正转，负号代表返转，称之归一化速度（-128127 为一个字节）。给每个电机分配一个速度累加计数器speeds_tickersI(I=0,1,2,7 分别代表 8 个电机)，

12、初始值为 0，每个中断触发周期内给该累加计数器加上从舞步信息数组 dancedata 中读取的速度值 speedsI，当计数器值大于平顶山工业职业技术学院第 7 页或等于预设的阈值 MAX_SPEED_TICKER=600 时，则发送脉冲序列中的下一个（正转）或上一个 （反转） 给步进电机， 这取决于速度的符号。 同时， 将该电机的累加计数器 speedtickersI恢复为 0。给出的速度值 speedI越大，则累加达到或超过阈值 MAX_SPEED_TICKER 的时间就越短，那么向步进电机发送脉冲的频率就越高，速度也就越快。归一化速度值设为 num（-128127），电机实际旋转速度设为

13、 V，那么 V 和 num 之间满足关系式：当 num 是阈值 600 的约数时，120mnum VV（ 1）其 中 ，0V是 当 num=120 时 的 实 际 速 度 大 小 。（ 2） 当 num 不 是 阈 值 600 的 约 数 时 ，05 6001VVnum（ 2）其中，x代表不超过 x 的最大整数。V0是一个速度常数，即当归一化速度值 num=120 的时候对应的电机实际速度。（4）num 和速度 V 近似线性关系，Vnum。正是因为有了这种函数关系，我们在舞蹈动作控制中，可以轻松实现速度在大范围内变化。2.2.3 3 2 2 速 度 正 负 实 现 方 式速 度 正 负 实 现

14、 方 式（1）在程序中，数组 steps8用于存放步进电机的脉冲序列。Steps8=|077.033.0BB.099.0DD.0CC.0EE.066:/8 步式步进电机脉冲序列平顶山工业职业技术学院第 8 页（2）设置指针 cur_steps8指向 8 个电机当前处在脉冲序列 step8中的位置。易知：0=MAX-SPEEL-TICKER)/如 果 计 数 器 值 超 过 预 定 最 大 值 .就 发 送 脉 冲平顶山工业职业技术学院第 12 页我们发现一个简单的动作竟需要 5 组数据，5 分钟的舞蹈需要组数据（需占用 1.5K 存储空间，AT89C52 足够）。如果人工填写这些数据，将十分困

15、难。因此在实际的运用中，我们用 C Builder 编写了机器人模拟程序，采用图形界面，预一化速度和时间信息，写入 datah，只要将其作为头文件，电机驱动程序将自动读取。2.62.6 电 路 和 程 序 特 点 总 结电 路 和 程 序 特 点 总 结（1）一块单片机控制多个步进电机，总线分时复用。（2）程序基于中断服务，电机工作稳定可靠。（3）提出归一化速度，实现了速度 V 大范围可变。（4）数据更新每 200ms 一次，可以轻松控制各个电机实时加速、减速、爆发，从而使舞蹈更人性化、感情化。这也正是我们允许数据量大的原因。（5）辅助程序实现编程可视化。参 考文 献参 考文 献：1.工业机器人的驱动方式周兰平顶山工业职业技术学院第 13 页平顶山工业职业技术学院第 14 页平顶山工业职业技术学院第 15 页平顶山工业职业技术学院第 16 页