机器人控制系统关键模块的电路设计

【摘 要】本文设计了一个模仿现实运动的机器人系统,用于竞赛、竞技类游戏,适合作为业余类机器人创作比赛题材.作者对机器人系统运动作了简略的介绍,并对实现自动控制的关键模块中的电源稳压模块和继电器控制模块的电路设计进行了详细的阐述.

【关 键 词】机器人；控制系统；模块

1.系统运动简介

本系统是一个游戏类机器人模仿现实运动系统,模仿内容要求如下：

几个人抬着kago（轿）轿子远行到目的地击一面鼓.其中一个自动机器人在前面,另一个手动机器人在后面配合,用kago（轿）抬着一个旅行机器人在其他队伍之前到达目的地,完成旅程.

在路上会有各项任务,包括翻越高山和穿越森林.旅客自动机器人在到达的目标区时击打3面胜利之鼓,三个鼓垂直安排于一个平台上.行进的途中kago（轿）和旅行机器人不能掉落.目标区为黑色部分,一部分是台阶区,台阶区中有特定的灰色的鼓区,安放着胜利之鼓.

2.约束条件

<1>旅客自动机器人登上kago（轿）.

<2>翻越山路.

<3>穿过森林.

<4>旅客自动机器人从kago(轿)下轿.

<5>旅客自动机器人击打三个鼓.

<6>旅客自动机器人和鼓槌都不能接触自动或手动轿夫的机器人.

3.方案分析设计

要实现上述运动动作,完成运动的可靠性,灵活性,必须使两机器人和轿子之间进行配合协作,涉及到自动控制系统中的多个关键模块的设计.如控制系统的处理结构,如何选用单片机,电源稳压模块的设计,继电器控制模块设计,电机功率放大驱动模块设计以及方向控制的舵机设计等等.在此只对电源稳压模块和继电器控制模块的设计进行阐述.

（1）电源稳压模块电路设计

由于供能的需要,需分别对单片机系统和外部辅助元件进行供电,采用双电源配置,这样才能使整个控制系统更稳定、可靠.而电源在使用过程中电压会降低,那就必须把电源的稳压电源调低,使之相匹配,并使单片机获得稳定的直流供电电压,这样就必须给系统设计好一个稳压电路,保证系统的平稳运行.

1）选择集成稳压器件

集成稳压器种类多样,可根据外在形状作用不同分为三端集成稳压器和多端集成稳压器.其中三端稳压器件外接元件少、造价便宜,便于使用、维护,安全稳定,满足要求.因此,在此选取最大输出电流可达1A三端串联型稳压器来作为电压稳定器.

2）设计稳压电路

LM7805稳压器作为一种常用的三端固定正电压稳压器,由于性能良好,使用较广.其外部结构图如图1所示,引脚1为电源输入,引脚2为电源地,引脚3为电源输出.

利用此集成稳压器,8V的锂电池通过LM78O5稳压到5V,给74HC04、LM324、74LS86、74LS74、单轴倾角传感器以及光隔供电,而29V锂电池,给直流电机、继电器等器件供电.

除此之外,为提高电路的安全可靠性,还需在芯片增加电容.综合电路如图2所示.

各元件功能：D为二极管,当输入端短路时,通过C3放电,避免C3两端电压过高击穿发射结,起保护作用.Cl、C2用于频率补偿,防止自激振荡、抑制高频千扰和改善负载的瞬态响应；C3采用电解电容,以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响.

（2）继电器控制模块电路设计

在本系统中,气动设备的控制,是通过气阀来实现.要控制气阀的“打开”和“关闭”,就必须使用继电器元件.利用继电器“通”和“断”来控制气阀的同时“开、关”响应.从而有效的驱动机械结构部分实现预定的功能动作.

在电路实际设计中,为了增加电路的可靠性,常常需要加上一些附加电路,以改善继电器的工作特性或起到保护继电器的作用.常见的有继电器并联RC电路,继电器串联RC电路,继电器并联二极管三种电路.

不同的电路有不同的功能和特点.继电器串联RC电路主要应用于继电器的额定工作电压低于电源电压的电路中.主要利用电容两端不可能突变,形成（视为）短路的情况下加快了线圈中电流增大的速度,使继电器迅速吸合.电源稳定之后电容不再起作用,电阻起限流作用.继电器并联RC电路闭合以后,RC电路不起作用；断开电路时,继电器线圈由于自感而产生感应电动势,经RC电路放电,使线圈中电流衰减放慢,延长了继电器衔铁的释放时间,从而起到延时作用.

继电器并联二极管电路,如图3所示.此电路主要是为了保护晶体管等驱动元件.当晶体管由导通变为截止时,流经继电器的电流迅速减少,这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在Q的C,E两级,会使晶体管击穿.并联上二极管之后,可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通压降,约为0.7v(硅管),从而避免击穿晶体管等驱动元件.

对于本控制系统,电源电压与继电器额定工作电压相同,且不需要延长继电器衔铁的释放时间,故在设计中主要采用的是第三种辅助电路,以起到保护集成驱动CI芯片安全的作用.整个电路如图4所示:

I/O口信号输出后经过线缓冲驱动器74LS04输入到光耦,对于驱动普通继电器是足够的.值得注意的是,二极管必须要反向连接,否则线圈上产生的较高的反向电动势很容易击穿集成驱动芯片.改电路可以用来控制电机的正反转及转速.

工作过程分析：

图4中,PWM1信号是用来控制电机转速的信号,当输入信号为PWM的高电平状态时,信号经74LS04反向,变为低电平；使得光隔3、4端导通,29V的电源经R13、R14分压,给N沟道增强型MOS场效应管的栅极和源极加上导通电压,使得Q11导通,给电机提供负极输出端.反之,电机会因为没有负极输出端而停止转动.PWM信号正是这样,通过占空比来实现对电机转速的控制.

在PWM1有PWM信号输入的前提下,当direction1信号为高电平时,经过74LS04反向后,变为低电平,光隔工作导通,使得继电器吸合,此时继电器3脚为正,6脚为负,电机两端加上了29V电压正转；反之易得3脚为负,6脚为正,此时为反转.

4.结语

自动机器人的控制系统设计有很多不同的方案,本文在完成运动特性要求的前提下,采用的电源稳压模块设计电路和继电器模块设计电路,比较通俗易懂,简单易行,机器人运动过程的实验证明,采用此方案的效果良好,运动稳定可靠,具有较高的实用价值和参考价值.