教学机器人的硬件选择设计
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发布时间：2022-05-30 06:52
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时间：2023-10-13 12:26
本机器人控制器采用“主控器+伺服控制器”的形势。伺服控制器负责完成单关节的位置闭环，在机器人控制中，要求运动平稳无超调，所以伺服控制器的运算任务很繁重。主控制器主要完成除伺服控制器所作的位置闭环以外的所有工作，包括上位机命令接收，机器人状态监视、显示，根据一定的控制算法实现空间轨迹插补以及传感器信息综合处理等工作。所以主控制器的任务也很繁重。 系统的功率放大部分以LMD18200为核心。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件，同一芯片上集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥，外接很少的器件就可以完成直流电机的驱动。它瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，无“shot-through”电流。LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式[4]。由于双极性电流波动大，功率损耗较大，所以系统中采用单极性驱动。
具体的接口电路如图2所示（本机器人采用3个全方位正交轮，通过3个轮子配合，机器人可以完成任意方向的运动，限于篇幅图中只画出一个轮子的相关电路），LM629根据PID控制算法在PWM引脚输出占空比变化但频率固定的PWM信号，通过光电隔离加到LMD18200的5脚，这个PWM信号的占空比通过LMD18200可调节电机速度，LM629的DIR脚的高低电平可控制电机的正反转。为了减少功率电源部分对控制器部分的影响，这两个信号的连接都通过了光电隔离器件TLP521，如图2所示。引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向从引脚2流到引脚10；反转时相反。此电路驱动功率大，稳定性好，实现方便，体积小，安全可靠。 为了增加系统的可靠性，减少功率电路对弱电的干扰，系统中使用2组不共地的电源。S3C44B0X最小系统使用的3.3V电源和光电编码器使用的5V电源为1组，24V的功率电源以及LMD18200用的5伏电源为一组。两个电源之间的信号传输通过光电隔离器件TLP521隔离。编码器信号以及LM629的时钟信号都经过施密特触发器整形。另外使用了S3C44B0X本身的WDT模块。
为了减少系统的功耗，主要采取了以下措施（1）：主控制器将未使用的外围模块如SPI、定时器1、I2C等关闭；（2）：主控制器控制机器人在到达指定位置而没有新的任务（通过串口接收）之前控制LMD18200进入刹车状态，这时LMD18200脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平，H桥中所有晶体管关断，每个输出端只有约1.5mA的偏流；（3）：主控制执行完（2）中的步骤后进入空闲模式，其各个寄存器的值可以保存，当有新的中断产生时将唤醒主控制器进入正常工作状态。
为了增加系统的可靠性，利用LMD18200的保护功能设计了系统过流过热的保护。LMD18200内部具有过流保护的测量电路，在LMD18200的8脚输出电流取样信号，典型值为377 µA/A[4]。接一个对地电阻R2，通过电阻上的电压和给定的电压比较来监测输出过流情况。LMD18200提供温度报警信号，芯片结温达145℃时，LMD18200的9脚变为低电平。这些保护信号通过光电隔离以后传输给S3C44B0X，实现过热过流的监视。
