舞蹈機器人步進電機驅(qū)動電路和程序設(shè)計

在中國科大首屆機器人舞蹈比賽中（中央10臺節(jié)目轉(zhuǎn)播）,我們用一個單片機控制多個步進電機指揮跳舞機器人 的雙肩、雙肘和雙腳伴著音樂做出各種協(xié)調(diào)舒緩充滿感情的動作,榮獲一等獎。電路采用74373鎖存,74LS244和ULN2003作電壓和電流驅(qū)動,單 片機（Atc52）作脈沖序列信號發(fā)生器。程序設(shè)計基于中斷服務(wù)和總線分時利用方式,實時更新各個電機的速度、方向。整個舞蹈由運動數(shù)據(jù)所決定的一截截動 作無縫連接而成。

1 步進電機簡介

步進電機根據(jù)內(nèi)部線圈個數(shù)不同分為二相制、三相制、四相制等。本文以四相制為例介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖1為四相五線制步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

2 四相五線制步進電機的驅(qū)動電路

電路主要由單片機工作外圍電路、信號鎖存和放大電路組成。我們利用了單片機的I/O端口,通過74373鎖 存,由74LS244驅(qū)動,ULN2003對信號進行放大。8個電機共用4bit I/O端口作為數(shù)據(jù)總線,向電機傳送步進脈沖。每個電機分配1bit的I/O端口用作74373鎖存信號,鎖存步進電機四相脈沖,經(jīng)ULN2003放大到 12V驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

電路原理圖（部分）如圖2所示。

（1）Intel 8051系列單片機是一種8位的嵌入式控制器,可尋址64K字節(jié),共有32個可編程雙向I/O口,分別稱為P0～P3。該系列單片機上集成8K的ROM,128字節(jié)RAM可供使用。

（2）74LS244為三態(tài)控制芯片,目的是使單片機足以驅(qū)動ULN2003。ULN2003是常用的達林頓管陣列,工作電壓是12V,可以提供足夠的電流以驅(qū)動步進電機。關(guān)于這些芯片的詳細介紹可參見它們各自的數(shù)據(jù)手冊。

（3）74373是電平控制鎖存器,它可使多個步進電機共用一組數(shù)據(jù)總線。我們用P1.0～P1.7作為8個電機的鎖存信號輸出端,見表1。

這是一種基于總線分時復(fù)用的方式,以動態(tài)掃描的方式來發(fā)送控制信號,這和高級操作系統(tǒng)里的多任務(wù)進程調(diào)度的思想一致。這種方法明顯的好處是節(jié)省I/O口,使系統(tǒng)可以控制更多的步進電機。本電路設(shè)計為控制8個。

3 程序設(shè)計

傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動程序利用簡單的條件循環(huán)來發(fā)送脈沖序列,但當電機數(shù)目發(fā)生變化時,編程繁雜,冗余代碼較 多,難以做到信號占空比一致,進而產(chǎn)生“抖動”現(xiàn)象。下面提出一種基于中斷服務(wù)方式,面向舞蹈動作,可實時改變各個電機速度和方向（每200ms可改變一 次）的程序設(shè)計方法。

3．1 速度歸一化和線性關(guān)系

我們將速度量化成一個-128～127內(nèi)可變的數(shù),正號代表正轉(zhuǎn),負號代表返轉(zhuǎn),稱之歸一化速度 （-128～127為一個字節(jié)）。給每個電機分配一個速度累加計數(shù)器speed_tickers[i](I=0,1,2…,7分別代表8個電機),初始值 為0,每個中斷觸發(fā)周期內(nèi)給該累加計數(shù)器加上從舞步信息數(shù)組dancedata中讀取的速度值speeds[i],當計數(shù)器值大于或等于預(yù)設(shè)的閾值 MAX_SPEED_TICKER=600時,則發(fā)送脈沖序列中的下一個（正轉(zhuǎn)）或上一個（反轉(zhuǎn)）給步進電機,這取決于速度的符號（參考3.2節(jié)）。同 時,將該電機的累加計數(shù)器speed_tickers[i]恢復(fù)為0。給出的速度值speed[i]越大,則累加達到或超過閾值 MAX_SPEED_TICKER的時間就越短,那么向步進電機發(fā)送脈沖的頻率就越高,速度也就越快。

歸一化速度值設(shè)為num（-128～127）,電機實際旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為V,那么V和num之間滿足關(guān)系式：

（1）當num是閾值600的約數(shù)時,

其中,[x]代表不超過x的最大整數(shù)。

（3）V₀是一個速度常數(shù),即當歸一化速度值num=120的時候?qū)?yīng)的電機實際速度。

（4）num和速度V近似線性關(guān)系,V∝num。正是因為有了這種函數(shù)關(guān)系,我們在舞蹈動作控制中,可以輕松實現(xiàn)速度在大范圍內(nèi)變化。

3．2 速度正負實現(xiàn)方式

（1）在程序中,數(shù)組steps[8]用于存放步進電機的脈沖序列。

（2）設(shè)置指針cur_step[8]指向8個電機當前處在脈沖序列step[8]中的位置。
易知：0=step[i]=7,其中,i分別代表8個電機。

（3）設(shè)置指針移動變量delta=0。delta=1,指針向后移動一步,電機正轉(zhuǎn);delta=-1,指針向前移動一步,電機反轉(zhuǎn);delta=0,指針不移動,電機不發(fā)生轉(zhuǎn)動。

3.3 程序具體步驟

3.3.1初始化計時器InitTimer,然后空循環(huán),進入等中斷階段。

3.3.2 中斷觸發(fā)后,程序進入服務(wù)程序。

(1)執(zhí)行函數(shù)SetAllSpeeds,函數(shù)根據(jù)提供的速度值speed[i]依次判斷是否給各個電機發(fā)送脈沖,實現(xiàn)電機以特定的速度和方向旋轉(zhuǎn)。SetAllSpeeds具體算法流程見圖3。

(2)從定義的數(shù)組dancedata中讀取新的速度信息,每200ms一次。

(3)將系統(tǒng)在調(diào)用中斷處理函數(shù)時關(guān)閉的計時器重新打開InitTimer。

(4)中斷處理函數(shù)結(jié)束返回。

注意：第一,(1)和(2)不可交換,這是為了保證步進電機每步延時的均勻性;第二,內(nèi)部中斷間隔時間 1ms內(nèi),8051是否能夠?qū)⒅袛喾?wù)程序中所有的代碼執(zhí)行完全?答案是肯定的。參考圖4,我們對整個中斷服務(wù)程序進行了統(tǒng)計,它所要執(zhí)行的指令數(shù)在 200～300之間變化,時鐘間隔設(shè)置為1ms,選用12MHz晶振,執(zhí)行這些指令需要耗時約500～600μs1ms,因此,中斷處理完全可以在一個計時器周期內(nèi)執(zhí)行完畢。

3.4 舞蹈編排

在舞蹈編排中,我們面向的是動作,因此,必須關(guān)心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中,舞步信息數(shù)組格式如下：

每組數(shù)據(jù)含有8個字節(jié),分別代表8個電機的歸一化速度num,這點在3.1節(jié)中已經(jīng)做了詳細分析。程序每200ms讀一次數(shù)據(jù),換句話說,每組數(shù)據(jù)的有效期只有200ms。我們分析表2一組數(shù)據(jù)代表的含義。

(1)組數(shù)為25,這隱含了動作的時間信息。因為每組數(shù)據(jù)的有效期為200ms,所以,25組數(shù)據(jù)的執(zhí)行時間為：200ms×25=5000ms

(2)左腳和右腳(輪式)的歸一化速度相等,方向相反。根據(jù)公式(1)可以知道

V=0.5×V0

所以,機器人以0.5V0的速度原地轉(zhuǎn)圈5000ms。

(3)其它關(guān)節(jié)的歸一化速度num=0,說明其它關(guān)節(jié)均無動作。

3.5 可視化輔助程序簡介

我們發(fā)現(xiàn)一個簡單的動作競需要5組數(shù)據(jù),5分鐘的舞蹈需要

組數(shù)據(jù)(需占用1.5K存儲空間,AT89C52足夠)。如果人工填寫這些數(shù)據(jù),將十分困難。因此在實際的運用中,我們用C+Builder編寫了機器人模擬程序,采用圖形界面,預(yù)一化速度和時間信息,寫入data.h,只要將其作為頭文件,電機驅(qū)動程序?qū)⒆詣幼x取。

4 電路和程序特點總結(jié)

(1)一塊單片機控制多個步進電機,總線分時復(fù)用。

(2)程序基于中斷服務(wù),電機工作穩(wěn)定可靠。

(3)提出歸一化速度,實現(xiàn)了速度V大范圍可變。

(4)數(shù)據(jù)更新每200ms一次,可以輕松控制各個電機實時加速、減速、爆發(fā),從而使舞蹈更人性化、感情化。這也正是我們允許數(shù)據(jù)量大的原因。

(5)輔助程序?qū)崿F(xiàn)編程可視化。

文末是中國科大首屆機器人舞蹈比賽中用到的程序?qū)嵗?/p>

參考文獻

1 顧天柱,陳巳康.C51交叉編譯系統(tǒng).上海：復(fù)旦大學出版社,1990,8

2 胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計.北京：清華大學出版社,2002