隨著人工成本的不斷升高，用機(jī)器人代替人力去做一些重復(fù)性的高強(qiáng)度的勞動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向。搬運(yùn)機(jī)器人在導(dǎo)航尋跡中，需要后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和前輪舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作。搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)有其特殊的應(yīng)用要求，對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，能在任意時(shí)刻到達(dá)控制需要的指定位置并且使舵機(jī)停止在任意角度；電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩變化范圍大，既有空載平整路面行使的高速度、低轉(zhuǎn)矩工作環(huán)境，也有滿負(fù)載爬坡的運(yùn)行工況，同時(shí)還要求保持較高的運(yùn)行效率。根據(jù)以上的技術(shù)要求，本文選用了控制技術(shù)成熟，易于平滑調(diào)速的直流電機(jī)作為搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行饑構(gòu)。
功率驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)
電機(jī)的供電電源是由24V的蓄電池提供，額定功率為240W，由4個(gè)75N75組成橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。75N75是MOSFET功率管，其最高耐壓75V，最高耐流75A，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。
 
Q1、Q4和Q2、Q3分別組成兩個(gè)橋路，分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓和漏極電壓相同且都等于供電電樂(lè)VCC，所以要實(shí)現(xiàn)MOS管正常的驅(qū)動(dòng)，柵極電壓要比VCC大，這就需要專門的升壓芯片IR2103。控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)輸入HIN引腳，控制器I／O口輸出的 EN1、EN2作為使能信號(hào)。輸出端HO就可得到比VCC要高的電壓，且高出的電壓值正好是充在電容兩端的電壓。二極管提高導(dǎo)通速度，使得75N75的導(dǎo)通電阻更小，降低了開(kāi)關(guān)管的損失。同時(shí)IR2103的兩個(gè)輸出口HO、LO具有互鎖功能，防止由于軟件或硬件錯(cuò)誤造成的電機(jī)上下橋臂直通造成短路。
過(guò)流保護(hù)的設(shè)計(jì)
在電機(jī)控制系統(tǒng)中安裝過(guò)流保護(hù)有兩方面的意義：一是防止在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)出現(xiàn)超載或堵轉(zhuǎn)而使得電樞繞組電流過(guò)大損害電機(jī)甚至引發(fā)火災(zāi)；另一方面是由于電機(jī)肩動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，往往不能直接啟動(dòng)，既需要等勵(lì)磁繞組逐漸建立磁場(chǎng)后再正常運(yùn)行，又希望電機(jī)以盡量快的速度肩動(dòng)起來(lái)。有了過(guò)流保護(hù)對(duì)電流進(jìn)行斬波，可以使電機(jī)安全快速地啟動(dòng)。過(guò)流保護(hù)原理圖如圖3所示。
 
電機(jī)的相電流通過(guò)康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Vtext，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后的模擬量AD1送至控制器A／D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)將經(jīng)過(guò)電壓比較器比較后的數(shù)字量EVA送至控制器的外部中斷口。針對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制要求，采用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F107作為主控制器，采用嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II，將程序分成啟動(dòng)任務(wù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)、舵機(jī)控制任務(wù)等相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)任務(wù)，并設(shè)定了各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。 |
