第四讲、简易机器人的驱动与执行

1、 8051单片机的I/O口一般能驱动4个LSTTL负载。高电平时最大拉出0.25mA电流，低电平时可灌入20mA电流（可带一个发光二极管）。使用时一般采用灌电流方式。 绝大多数应用都需另加驱动电路。4.1常用功率驱动转换器件 1、电磁继电器 2、晶体管、场效应管 3、可控硅4.1.1电磁继电器 1、构造与工作原理 2、应用实例 3、使用注意事项 4、优缺点直流电磁继电器结构示意图继电器应用例子 控制电灯的开关3、使用注意事项 1、工作电压应符合线圈额定电压 2、驱动电流应满足要求 3、注意触点的允许电流4、电磁继电器的特点 1、控制简单，通断干脆 2、控制回路与被控回路各自独立隔离 3、机械开

2、关（既可控制交流回路也可控制直流回路） 4、触点易出现拉弧积炭，使用寿命较短 5、易产生电磁干扰4.1.2 固态继电器 工作原理工作原理：使用可控硅（晶闸管）作为功率开关元件，光电耦合元件作为控制和隔离器件。 工作特点：工作特点：1、无触点、寿命长。2、采用光耦隔离，抗干扰能力强。3、控制简单，可控功率大。4、适合交流控制应用。单向可控硅结构示意图可控硅工作原理 单向可控硅由PNPN四层半导体组成，并引出阳极、控制极和阴极。相当于两个互连的晶体管，当接上正向电压时，在控制极与阴极间加上触发信号，可控硅迅速导通。触发信号撤销后，可控硅保持导通，要使可控硅截止必须降低正向电压直到导通电流小于其维持

3、电流或在控制极加反向信号迫使其关断。 固态继电器使用双向可控硅固态继电器的内部电路及应用 内部电路图 有开关型和调相型 开关型作为交流电路功率开关。 调相型作为交流电路功率调节元件被广泛的应用于调压、可控整流、调光等场合4.2 动力驱动 机器人的驱动动力主要有电气驱动、液压驱动和气压驱动等。简易机器人主要使用电气驱动。 电气驱动主要是电动机（直流电动机、交流电动机、步进电动机等）。4.2.1 直流电动机 一、构造： 定子：由永磁铁或电磁线圈组成，小功率直流电机一般采用永磁铁，称永磁式电动机。 转子：由转动轴及固定在轴上的硅钢片和线圈组成。 换向器：电刷夹在转子线圈引出端。直流电动机结构图二、工

4、作原理及工作特性 转子线圈通电后在定子磁场力的作用下产生偏转并在换向器的变向下朝一个方向旋转。 具有良好的线性调速特性。 控制简单，效率高。三、控制电路 1、转向的控制（采用H桥电路） 2、转速的控制（采用PWM）H桥驱动芯片转速的控制 脉宽调制（PWM）简介： 定频调宽法（T不变，T1、T2变） UO=US （T1/T)4.2.2 步进电动机 一、特点：1、角位移与输入脉冲成正比且在时间上同步，转速取决于脉冲信号的频率。2、容易实现启、停、变向、变速等控制。控制时间短。3、输出精度高，几乎没有累积误差。4、直接数字信号控制，与计算机接口方便。5、能提供较大的低速转矩（5倍于直流电机）。6、寿

5、命长。 二、步进电动机的类型 1、永磁式：转子由永磁材料制成，是低成本低转速和低转矩的步进电机。其步距角较大，性能较差。 2、反应式：转子由软磁材料制成，产生中等转矩，步距角可以做得较小（0.915度）结构简单，成本低，但断电时没有保持力动态性能较差。 3、混合式：综合上述两种的优点，但结构复杂价格高。三、反应式步进电动机的结构由定子和转子组成，定子上有若干对磁极，每对磁极上绕有线圈。面向转子部分分布着梳状小齿。转子由软磁材料制成一个圆柱体，圆周上也分布着与定子相似的小齿，齿距相同。转子齿在圆周均匀分布而定子齿在磁极上，对于定子圆周来说属于不完全齿。设计电机时，转子小齿与定子某对磁极上的小齿对

6、齿时（这时磁阻最小），其它磁极必须处在错齿的位置。例三相步进电机的结构如图：例、三相步进电机结构及工作原理 定子有三对磁极（称A、B、C三相）相隔120度分布。设转子上有40个小齿，则齿距角为360/409 设转子的0号齿与A相磁极的中心齿对齐（称对齿，这时磁阻最小），则B相中心齿将对着转子的13号齿过1/3齿距角（3）处（错齿），C相对着26号齿过2/3齿距角处。 当A相通电时，转子0号齿与A相磁极对齿；A相断电对B相通电时，转子转1/3齿距角使B相对齿；B相断电而C相通电时，转子又转1/3齿距角 转子每步转过的角度称步距角。本例的步距角为3反应式步进电动机对结构的设计要求 定子绕组磁极的分

7、度角不能被齿距角整除，否则无法形成错齿。 定子绕组磁极的分度角被齿距角整除后所得的余数，应是步距角的倍数且倍数值与相数不能有公因子，否则无法形成错齿。四、三相步进电动机的工作方式 单三拍方式（A、B、C)：单（指每次对单相通电）；三拍（指电机换相三次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距）。 双三拍方式（AB、BC、CA）。每次对两相通电，换相三次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距。 六拍方式（A、AB、B、BC、C、CA)。也称单双六拍工作方式。换相六次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距。单三拍工作波形 通电相序A、B、C双三拍方式 通电方式AB、BC、CA双三拍工作特点 同时两相通电，磁场建立方式不

8、同，转子不是处于对齿状态，而是处于1/6齿距角处达到平衡。 步距角还是1/3齿距角。 比单三拍功耗大，但力矩大，不易产生失步等。单双六拍波形图 通电方式A、AB、B、BC、C、CA步距角计算公式 步距角齿距角/工作拍数工作方式单三拍双三拍六拍步进周期 T T T每相通电时间 T 2T 3T走齿周期 3T 3T 6T高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡易中不易功耗小大中五、步进电动机的驱动方法 1、单电压驱动 2、双电压驱动 3、恒流斩波驱动 4、细分驱动1、单电压驱动 电路简单，但电路损耗大、效率低、高频性能差。只适合于小功率且转速变化不大的场合应用。2、双电压驱动 用提高电压的

9、方法可以使绕组电流上升波形变陡，这就产生了双电压驱动方法。双电压驱动有两种方式：双电压法和高低压法。3、斩波驱动 双电压驱动需要两组电源，增加电路成本。目前普遍使用恒流斩波驱动电路。它无需外接限流电阻，提高了效率和高频性能。但会产生电磁噪声。4、细分驱动 步进电机的步距角是设计时就固定的，受机械限制，步距角不可能做的很小。在一些应用中，往往要求电机能够走的更细一点，这就给驱动电路提出了新的要求。 细分驱动的原理就是在换相时不是一步到位，而是分步进行。（对通电相分步增加电流，对断电相也分步减少电流） 细分驱动电路一般在斩波电路基础上增加D/A转换电路对电流进行控制。六、步进电机的单片机控制 1、

10、控制换相顺序（工作方式）：采用查表方式。 2、控制转向：倒向查表 3、控制转速：控制每步间隔时间。4.3 能源（电池） 简易机器人一般都是移动机器人，为了移动方便，其电源供应往往采用自身携带直流电源。由于机器人有电机、单片机以及电子电路等耗电部件，其耗电较大，同时简易机器人往往还要限制自身重量等，所以供电电源的选择也是一项重要的工作。一、干电池 干电池属一次电池，价格便宜。但不能反复充放电。其放电电流较小，不能连续长时间放电。它只适合小电流、间歇工作状态的应用场合。 典型的干电池有碱电池和锰电池，碱电池的容量和电流比锰电池大，现在市面上基本上是碱电池。 干电池一节电压为1.5V，在简易机器人上需要多节电池串连使用。二、蓄电池 蓄电池可反复充电，反复使用。 蓄电池放电电流较大，适合机器人的使用。 蓄电池用安时(Ah)或毫安时(mAh)表示容量。它指在规定温度、放电电流和终止电压条件下完全充电的电池所能输出的电量。 电池的充放电电流用C（代表电池容量）与系数的乘积来表示。蓄电池放电曲线图一、镍镉电池 可反复充放电500次以上的化学反应蓄电池。 放电电流大（N型达3C,P型达25C