第四講、簡易機(jī)器人的驅(qū)動與執(zhí)行

1、 8051單片機(jī)的I/O口一般能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。高電平時最大拉出0.25mA電流，低電平時可灌入20mA電流（可帶一個發(fā)光二極管）。使用時一般采用灌電流方式。 絕大多數(shù)應(yīng)用都需另加驅(qū)動電路。4.1常用功率驅(qū)動轉(zhuǎn)換器件 1、電磁繼電器 2、晶體管、場效應(yīng)管 3、可控硅4.1.1電磁繼電器 1、構(gòu)造與工作原理 2、應(yīng)用實(shí)例 3、使用注意事項 4、優(yōu)缺點(diǎn)直流電磁繼電器結(jié)構(gòu)示意圖繼電器應(yīng)用例子 控制電燈的開關(guān)3、使用注意事項 1、工作電壓應(yīng)符合線圈額定電壓 2、驅(qū)動電流應(yīng)滿足要求 3、注意觸點(diǎn)的允許電流4、電磁繼電器的特點(diǎn) 1、控制簡單，通斷干脆 2、控制回路與被控回路各自獨(dú)立隔離 3、機(jī)械開

2、關(guān)（既可控制交流回路也可控制直流回路） 4、觸點(diǎn)易出現(xiàn)拉弧積炭，使用壽命較短 5、易產(chǎn)生電磁干擾4.1.2 固態(tài)繼電器 工作原理工作原理：使用可控硅（晶閘管）作為功率開關(guān)元件，光電耦合元件作為控制和隔離器件。 工作特點(diǎn)：工作特點(diǎn)：1、無觸點(diǎn)、壽命長。2、采用光耦隔離，抗干擾能力強(qiáng)。3、控制簡單，可控功率大。4、適合交流控制應(yīng)用。單向可控硅結(jié)構(gòu)示意圖可控硅工作原理 單向可控硅由PNPN四層半導(dǎo)體組成，并引出陽極、控制極和陰極。相當(dāng)于兩個互連的晶體管，當(dāng)接上正向電壓時，在控制極與陰極間加上觸發(fā)信號，可控硅迅速導(dǎo)通。觸發(fā)信號撤銷后，可控硅保持導(dǎo)通，要使可控硅截止必須降低正向電壓直到導(dǎo)通電流小于其維持

3、電流或在控制極加反向信號迫使其關(guān)斷。 固態(tài)繼電器使用雙向可控硅固態(tài)繼電器的內(nèi)部電路及應(yīng)用 內(nèi)部電路圖 有開關(guān)型和調(diào)相型 開關(guān)型作為交流電路功率開關(guān)。 調(diào)相型作為交流電路功率調(diào)節(jié)元件被廣泛的應(yīng)用于調(diào)壓、可控整流、調(diào)光等場合4.2 動力驅(qū)動 機(jī)器人的驅(qū)動動力主要有電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動等。簡易機(jī)器人主要使用電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動主要是電動機(jī)（直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等）。4.2.1 直流電動機(jī) 一、構(gòu)造： 定子：由永磁鐵或電磁線圈組成，小功率直流電機(jī)一般采用永磁鐵，稱永磁式電動機(jī)。 轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)動軸及固定在軸上的硅鋼片和線圈組成。 換向器：電刷夾在轉(zhuǎn)子線圈引出端。直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖二、工

4、作原理及工作特性 轉(zhuǎn)子線圈通電后在定子磁場力的作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)并在換向器的變向下朝一個方向旋轉(zhuǎn)。 具有良好的線性調(diào)速特性。 控制簡單，效率高。三、控制電路 1、轉(zhuǎn)向的控制（采用H橋電路） 2、轉(zhuǎn)速的控制（采用PWM）H橋驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)速的控制 脈寬調(diào)制（PWM）簡介： 定頻調(diào)寬法（T不變，T1、T2變） UO=US （T1/T)4.2.2 步進(jìn)電動機(jī) 一、特點(diǎn)：1、角位移與輸入脈沖成正比且在時間上同步，轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率。2、容易實(shí)現(xiàn)啟、停、變向、變速等控制。控制時間短。3、輸出精度高，幾乎沒有累積誤差。4、直接數(shù)字信號控制，與計算機(jī)接口方便。5、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩（5倍于直流電機(jī)）。6、壽

5、命長。 二、步進(jìn)電動機(jī)的類型 1、永磁式：轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，是低成本低轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)。其步距角較大，性能較差。 2、反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩，步距角可以做得較小（0.915度）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但斷電時沒有保持力動態(tài)性能較差。 3、混合式：綜合上述兩種的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格高。三、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上有若干對磁極，每對磁極上繞有線圈。面向轉(zhuǎn)子部分分布著梳狀小齒。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成一個圓柱體，圓周上也分布著與定子相似的小齒，齒距相同。轉(zhuǎn)子齒在圓周均勻分布而定子齒在磁極上，對于定子圓周來說屬于不完全齒。設(shè)計電機(jī)時，轉(zhuǎn)子小齒與定子某對磁極上的小齒對

6、齒時（這時磁阻最?。?，其它磁極必須處在錯齒的位置。例三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖：例、三相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 定子有三對磁極（稱A、B、C三相）相隔120度分布。設(shè)轉(zhuǎn)子上有40個小齒，則齒距角為360/409 設(shè)轉(zhuǎn)子的0號齒與A相磁極的中心齒對齊（稱對齒，這時磁阻最?。瑒tB相中心齒將對著轉(zhuǎn)子的13號齒過1/3齒距角（3）處（錯齒），C相對著26號齒過2/3齒距角處。 當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子0號齒與A相磁極對齒；A相斷電對B相通電時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1/3齒距角使B相對齒；B相斷電而C相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)1/3齒距角 轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。本例的步距角為3反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)對結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 定子繞組磁極的分

7、度角不能被齒距角整除，否則無法形成錯齒。 定子繞組磁極的分度角被齒距角整除后所得的余數(shù)，應(yīng)是步距角的倍數(shù)且倍數(shù)值與相數(shù)不能有公因子，否則無法形成錯齒。四、三相步進(jìn)電動機(jī)的工作方式 單三拍方式（A、B、C)：單（指每次對單相通電）；三拍（指電機(jī)換相三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動一個齒距）。 雙三拍方式（AB、BC、CA）。每次對兩相通電，換相三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動一個齒距。 六拍方式（A、AB、B、BC、C、CA)。也稱單雙六拍工作方式。換相六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動一個齒距。單三拍工作波形 通電相序A、B、C雙三拍方式 通電方式AB、BC、CA雙三拍工作特點(diǎn) 同時兩相通電，磁場建立方式不

8、同，轉(zhuǎn)子不是處于對齒狀態(tài)，而是處于1/6齒距角處達(dá)到平衡。 步距角還是1/3齒距角。 比單三拍功耗大，但力矩大，不易產(chǎn)生失步等。單雙六拍波形圖 通電方式A、AB、B、BC、C、CA步距角計算公式 步距角齒距角/工作拍數(shù)工作方式單三拍雙三拍六拍步進(jìn)周期 T T T每相通電時間 T 2T 3T走齒周期 3T 3T 6T高頻性能差較好較好轉(zhuǎn)矩小中大電磁阻尼小較大較大振蕩易中不易功耗小大中五、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動方法 1、單電壓驅(qū)動 2、雙電壓驅(qū)動 3、恒流斬波驅(qū)動 4、細(xì)分驅(qū)動1、單電壓驅(qū)動 電路簡單，但電路損耗大、效率低、高頻性能差。只適合于小功率且轉(zhuǎn)速變化不大的場合應(yīng)用。2、雙電壓驅(qū)動 用提高電壓的

9、方法可以使繞組電流上升波形變陡，這就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動方法。雙電壓驅(qū)動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法。3、斬波驅(qū)動 雙電壓驅(qū)動需要兩組電源，增加電路成本。目前普遍使用恒流斬波驅(qū)動電路。它無需外接限流電阻，提高了效率和高頻性能。但會產(chǎn)生電磁噪聲。4、細(xì)分驅(qū)動 步進(jìn)電機(jī)的步距角是設(shè)計時就固定的，受機(jī)械限制，步距角不可能做的很小。在一些應(yīng)用中，往往要求電機(jī)能夠走的更細(xì)一點(diǎn)，這就給驅(qū)動電路提出了新的要求。 細(xì)分驅(qū)動的原理就是在換相時不是一步到位，而是分步進(jìn)行。（對通電相分步增加電流，對斷電相也分步減少電流） 細(xì)分驅(qū)動電路一般在斬波電路基礎(chǔ)上增加D/A轉(zhuǎn)換電路對電流進(jìn)行控制。六、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 1、

10、控制換相順序（工作方式）：采用查表方式。 2、控制轉(zhuǎn)向：倒向查表 3、控制轉(zhuǎn)速：控制每步間隔時間。4.3 能源（電池） 簡易機(jī)器人一般都是移動機(jī)器人，為了移動方便，其電源供應(yīng)往往采用自身攜帶直流電源。由于機(jī)器人有電機(jī)、單片機(jī)以及電子電路等耗電部件，其耗電較大，同時簡易機(jī)器人往往還要限制自身重量等，所以供電電源的選擇也是一項重要的工作。一、干電池 干電池屬一次電池，價格便宜。但不能反復(fù)充放電。其放電電流較小，不能連續(xù)長時間放電。它只適合小電流、間歇工作狀態(tài)的應(yīng)用場合。 典型的干電池有堿電池和錳電池，堿電池的容量和電流比錳電池大，現(xiàn)在市面上基本上是堿電池。 干電池一節(jié)電壓為1.5V，在簡易機(jī)器人上需要多節(jié)電池串連使用。二、蓄電池 蓄電池可反復(fù)充電，反復(fù)使用。 蓄電池放電電流較大，適合機(jī)器人的使用。 蓄電池用安時(Ah)或毫安時(mAh)表示容量。它指在規(guī)定溫度、放電電流和終止電壓條件下完全充電的電池所能輸出的電量。 電池的充放電電流用C（代表電池容量）與系數(shù)的乘積來表示。蓄電池放電曲線圖一、鎳鎘電池 可反復(fù)充放電500次以上的化學(xué)反應(yīng)蓄電池。 放電電流大（N型達(dá)3C,P型達(dá)25C