小型舞蹈机器人的驱动系统设计

    关键词：L298N；舵机；直流电机；隔离；并联型稳压

机器人舞蹈比赛是一项具有极强观赏性和趣味性的比赛。比赛规则要求参赛机器人在有限的场地和时间内，配合音乐完成动作。由于要求机器人既要充分利用场地，又不能超时和越界，因此，舞蹈机器人集成了多学科前沿技术，它的设计涉及了机电一体化技术、检测和传感技术、精密机械加工和精密机械传动技术、现代化控制技术和管理技术、计算机程序控制技术等多个方面。

舞蹈机器人之所以能完成各种流畅的动作，在于它身体各运动部位都装有相应的动力源（驱动电机）。目前在舞蹈机器人中常用的电机有三类：直流电机、舵机和步进电机。其中直流电机功耗低、力矩大，通常用于闭环控制系统；舵机控制精确、力矩较小；步进电机控制精确、功耗较大、力矩较小，通常用在开环控制系统。根据上述比赛规则要求，本文介绍的机器人选用了直流电机和舵机两类电机，文中重点讲述了这两类电机驱动系统的设计方法。

１ 系统构成

系统中，直流电机共有四路，分别用于机器人底盘、头部的转动以及身体的升降，舵机有两路，用于花瓣打开。本设计从实际出发对不同电机采取了不同的驱动方式。舵机驱动电流仅十几微安，可以直接使用单片机端口进行驱动，而直流电机工作电流较大，瞬态电流接近１Ａ，因此需要采用专用电机驱动芯片。此外由于采用了３Ｖ与７Ｖ两种规格的直流电机，其中７Ｖ直流电机驱动信号直接采用驱动芯片输出，３Ｖ直流电机则需对驱动芯片输出作降压处理，因此，控制芯片选用了Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２单片机。图１是本驱动系统的原理框图。

２　主要模块的硬件设计

本驱动系统主要由信号隔离模块、舵机驱动模块、直流电机驱动芯片和降压模块等部分组成。

２．１ 信号隔离模块

常见的信号隔离方法有光电耦合和变压器隔离等，本系统采用光电耦合方式对电机控制信号进行隔离，以消除模拟信号对数字信号的干扰。使用的光耦型号为ＴＬＰ５２１－２及ＴＬＰ５２１－４。信号隔离最重要的一点就是将数字与模拟或强电与弱电部分在供电上要完全隔开，否则就不能达到真正意义上的隔离。实际中，光耦两侧使用了两组不同的电源。本系统需要隔离的信号为舵机控制信号、直流电机启停信号及其正／反转信号。其实现电路如图２所示。图中，ＶＣＣ为光耦前的数字电路电源，ＶＣＣ１是光耦后的数字电路电源，ＧＮＤ１是模拟地。

２．２ 驱动模块

本系统有四路直流电机和两路舵机，由于两者的工作电流相差较大，故在硬件上将两者独立。

图2

    由于舵机自身带电源(ＶＣＣ)和地(ＧＮＤ)引脚，对其驱动只需给出控制信号即可，故可直接用单片机的端口作控制信号线，因而硬件十分简单，设计时只要通过Ｐ０．０和Ｐ０．１用光耦隔离输出便可直接控制两路舵机，图２中的５２１－２即用于实现这部分功能。

本系统共有四路直流电机，其中三路采用７Ｖ供电，一路采用３Ｖ供电，因而工作电流较大，瞬时值可达１Ａ以上，为此，设计中选用了ＳＧＳ公司的Ｌ２９８系列芯片来完成驱动。Ｌ２９８比较常见的是１５脚Ｍｕｌｔｉ-ｗａｔｔ封装的Ｌ２９８Ｎ，该芯片的额定工作电流为２Ａ，内部包含４通道逻辑驱动电路，即一片可带两路直流电机，故该系统中使用了两片Ｌ２９８Ｎ。

图３是两路电机的驱动电路，为了节约单片机的端口资源，每路直流电机的正／反转信号控制线均通过一个反相器共用一条单片机口线。

２．３ 稳压模块

由于本系统中３Ｖ直流电机的工作电流约为８００ｍＡ，为了简化设计，降低成本，可以考虑直接使用Ｌ２９８Ｎ来驱动，而Ｌ２９８Ｎ的输出电压约为ＶＤＤ?系统中为＋６Ｖ?，因此必须将其降至３Ｖ才能直接驱动３Ｖ直流电机。本系统仅要求此直流电机单向转动，故可采用稳压二极管进行稳压处理。利用稳压二极管进行稳压时，多采用并联型稳压方式。

３　结束语

本系统是专为某型舞蹈机器人设计的，因此，软件的工作大部分是通过发送各种指令来驱动相应的电机以使其转动，从而实现预定编排的舞蹈动作。直流电机、舵机的控制均采用ＰＷＭ方式，软件设计本文不作详解。

本系统在实际应用中具有可靠性高、控制到位、抗干扰性强的特点，由其构成的舞蹈机器人曾在全国舞蹈机器人大赛中一举夺冠。