移動(dòng)機(jī)器人馬達(dá)的智能控制

康雅微

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300131）

移動(dòng)機(jī)器人馬達(dá)的智能控制，使機(jī)器人能夠穩(wěn)定、快速、平滑地行駛和精確地定位。因此，硬件與軟件的選用及配合，就顯得極為重要。本文介紹選用AVR AT mega 128單片機(jī)作為核心控制板、內(nèi)置編碼器的DC馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)、雙路H橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片L298作為單電源H橋電路驅(qū)動(dòng)DC馬達(dá)硬件，能夠簡(jiǎn)化電路，功能全面穩(wěn)定；軟件編寫采用精度為1/10的圓周、PID算法，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加精確、精準(zhǔn)。

1 機(jī)器人馬達(dá)控制系統(tǒng)框圖

（1）移動(dòng)機(jī)器人馬達(dá)的智能控制過(guò)程。當(dāng)單片機(jī)mega 128發(fā)出信號(hào)后，由于馬達(dá)之前未動(dòng)，反饋信號(hào)為0，偏差信號(hào)等于單片機(jī)發(fā)出信號(hào)減去反饋信號(hào)，通過(guò)PID（比例積分微分）算法，使單片機(jī)發(fā)出信號(hào)能夠快速、準(zhǔn)確地傳遞給L298芯片，最終控制DC馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。由于馬達(dá)內(nèi)置的編碼器，能將旋轉(zhuǎn)的方向和角度以電信號(hào)反饋給單片機(jī)mega 128，如果偏差信號(hào)為0，則說(shuō)明馬達(dá)旋轉(zhuǎn)不能達(dá)到預(yù)設(shè)值，偏差信號(hào)越大，則離預(yù)設(shè)值越遠(yuǎn)。利用這個(gè)偏差信號(hào)，最終達(dá)到預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)精確控制。

圖1 機(jī)器人馬達(dá)控制系統(tǒng)框圖

（2）DC（direct current）馬達(dá)。DC（direct current）馬達(dá)應(yīng)用廣泛，由可充電電池供電，攜帶方便，非常適用于移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人DC馬達(dá)實(shí)際上使用的是DC減速馬達(dá)，即在DC馬達(dá)上加上一個(gè)齒輪箱子，隨著DC減速馬達(dá)齒輪比率，來(lái)減少馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度，馬達(dá)轉(zhuǎn)矩增加。根據(jù)齒輪箱子，我們這里選擇的是減速比為1/50、額定轉(zhuǎn)矩為0.19 N·m、旋轉(zhuǎn)速度為102 r/min。4個(gè)馬達(dá)中只有后方的2個(gè)馬達(dá)安裝了磁氣式增量型編碼器，根據(jù)編碼器的輸出脈沖A相、B相的相位差，判斷馬達(dá)的轉(zhuǎn)向：A相為計(jì)數(shù)器，檢測(cè)B相的為L(zhǎng)OW的情況，馬達(dá)按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；若檢測(cè)B相的為HIGH的情況，馬達(dá)按照逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，編碼器上發(fā)生13個(gè)脈沖信號(hào)，由于馬達(dá)減速比為1/50，所以馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1周時(shí)發(fā)生650次脈沖，則馬達(dá)旋轉(zhuǎn)數(shù)為Z/650。

（3）利用獨(dú)立電源控制DC馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，H橋型電路是必要的。L298內(nèi)置2路H橋型驅(qū)動(dòng)馬達(dá)電路，最大電源電壓為46 V，能夠驅(qū)動(dòng)2組DC馬達(dá)，每一組可流過(guò)2 A的電流。當(dāng)2組被連接到一排時(shí)，能流過(guò)的電流高達(dá)4 A，機(jī)器人4個(gè)馬達(dá)中同側(cè)的2個(gè)使用1個(gè)L298 H橋型芯片，4個(gè)馬達(dá)共需2個(gè)芯片即可。

圖2 減速比為1/50馬達(dá)特性

（4）單片機(jī)mega 128中16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制。脈沖寬度傳輸信號(hào)的變化，取決于PWM調(diào)制方法（保持脈沖的周期不變，只改變高低電平之比），用來(lái)控制馬達(dá)的電壓，進(jìn)而控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

圖3 PWM調(diào)制方式

2 軟件優(yōu)化

（1）PID（比例積分微分）控制機(jī)器人車輪速度保持固定。

操作控制量=KP×誤差+Ki×誤差累積值+Kd×與旋轉(zhuǎn)誤差的差。

其中，KP，Ki，Kd分別為比例、積分時(shí)間、微分時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線可得：合理的比例項(xiàng)能實(shí)現(xiàn)減少上升時(shí)間，使車輪盡快達(dá)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度；積分項(xiàng)使得超調(diào)量很小，即誤差在最小；微分項(xiàng)是在比例項(xiàng)減少上升時(shí)間的同時(shí)，也減小過(guò)沖，并減小趨穩(wěn)時(shí)間。通常控制有PI、PD和PID。以下兩條語(yǔ)句分別是PID控制右輪和左輪轉(zhuǎn)速的指令。

（2）馬達(dá)旋轉(zhuǎn)周數(shù)的細(xì)化。馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)發(fā)生650個(gè)脈沖，若要馬達(dá)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只能按650整數(shù)倍，即旋轉(zhuǎn)周數(shù)為整數(shù)。這樣車輪走過(guò)的距離，為車輪圓周的整數(shù)倍，顯然若想讓車輪的距離更短，就有些困難了。這里通過(guò)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)1/10圓周的距離。原程序?yàn)間oal_cnt*=650；修改后的一部分程序?yàn)椋?/p>

3 調(diào)試

使用Atmel公司的AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境，通過(guò)新建工程建立一個(gè)文件并輸入源程序，選擇所用單片機(jī)型號(hào)及其頻率和優(yōu)化參數(shù)，編譯無(wú)誤后，在線串口下載到“機(jī)器人”中。安裝好機(jī)器人電池，即可根據(jù)已下載好的指令穩(wěn)定運(yùn)行，精確定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)機(jī)器人馬達(dá)的智能控制，不僅需要以ATmega 128為核心的合理硬件架構(gòu)，更需要軟件方面相得益彰的配合，這樣才能發(fā)揮其最大的功能。

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