基于無刷直流電機的輪式機器人設計探討

張騏

（徐州工程學院，江蘇 徐州 221000）

1 簡介

本文描述的是一臺使用無刷直流電機作為驅動輪的輪式機器人。該機器人采用經典的三輪設計，包含兩個前輪和一個支撐輪，可以圍繞位于機器人后部的垂直軸自由旋轉，此設計可以方便地控制機器人的位置和移動速度。機器人主體上有一個開/關按鈕，一個用于與計算機通信的Wi-Fi天線。該機器人由鋰聚合物電池供電，容量為3000mAh，可連續工作8小時。機器人的外觀如圖1。

控制系統的整體設計思想圍繞使用型號為ATmega128A的微控制器控制無刷直流電機展開。單板機根據從傳感器接收的信號產生控制動作，通過RS-232協議發送給下級控制板。下級控制板配有兩個微控制器，其中一個負責數據采集，另一個用于執行操作命令，將輸入信號轉換為矩形脈沖（PWM）信號，并作為輪式機器人電動機輪控制板的輸入信號。電動機輪的控制系統采用P控制器和PID控制器共同作用調節。

2 工作原理

2.1 無刷直流電機換向

圖1 機器人的外觀

我們選擇無刷直流電機作為輪式機器人的兩個驅動輪。為了簡化描述，我們僅討論三繞組型三相無刷直流電機。為了引起轉子的旋轉，必須以一定的順序使電流通過定子繞組，也就是說，電流的方向決定了繞組產生的磁場的方向，再由旋轉的磁場帶動轉子的旋轉。所以，只要在特定的時間按照一定的順序改變通過繞組中的電流，就能改變磁場的極性，從而帶動電動機的旋轉。無刷直流電機采用電子方式實現繞組電流換向。最簡單的方法是根據位于電機內部的位置傳感器的狀態，找到所需輸出的對應的狀態。三相無刷直流電機有六個換向狀態，三個霍爾傳感器相隔電角度放置，當其感受N和S兩個不同極性磁場的作用時，會呈現出高電平“1”和低電平“0”兩種輸出狀態。輸出的三個信號用3位二進制的編碼表示。

2.2 使用霍爾傳感器實現無刷直流電機的控制

三個數字霍爾傳感器的輸出作為轉子位置的編碼器，將磁體的位置和極性信息發送給邏輯電路，作用于驅動電路。要讓電機轉動起來，首先要根據霍爾傳感器輸出的轉子目前所在位置，依照定子繞線決定導通（或關斷）晶體管的順序，使電流依序流經電機繞組，并產生相應地旋轉磁場，再帶動電機旋轉。直到電機轉子旋轉到霍爾傳感器輸出另一組位置信號時，再導通（或關斷）下一組晶體管。即根據旋轉磁體的位置，每對功率管會相應地導通或關斷，從而在正確的時間，以正確的順序為電機繞組提供電流。為了使無刷直流電機的速度可變，必須在繞組的兩端加以可變電壓。通過控制PWM信號不同的占空比，控制繞組上的平均電壓，從而控制電機轉速。在控制系統中應用單片機時，也可以實現電橋上的PWM控制。控制器會根據驅動器設定的速度與霍爾傳感器信號的變化速度進行比對，用以決定下一組晶體管的導通（或關斷）的情況，以及導通（或關斷）的時間。導通時間增加，速度增大，反之亦然。

3 構建輪式機器人控制系統

3.1 設計速度反饋回路

為了調節電動機輪的旋轉速度，開發了一種雙回路控制系統，該系統由具有PID控制器的外部速度控制電路和具有P控制器的內部電流控制電路組成。系統的結構圖如圖2所示。

圖2 電動機輪速控制系統的示意圖

3.2 機輪速度控制板的搭建

為了實現該控制系統，開發并制造了基于8位Atmel ATmega128A微控制器的控制板。控制系統由Atmel ATmega128A微控制器、典型的六管構成的三相橋式逆變器和IR2132驅動器組成。ATmega128A是一款基于AVR增強型RISC架構的低功耗CMOS 8位微控制器，可以每秒執行100萬條指令，其外部還設有兩個8位和兩個16位具有比較功能和PWM模式的定時計數器，完全滿足了帶有PID控制器的外部速度控制電路的控制要求。高速光電耦合器用于輸入和輸出之間需要高電壓隔離的模擬信號或數字信號接口。這里選用HCPL-2531型號的光電耦合器，連接微控制器和無刷直流電機驅動電路兩部分，同時，較晶體管具有更好的抗干擾性和隔離性。

無刷直流電機驅動電路選用IR2132作為驅動器。IR2132是一款用于MOS晶體管和IGBT晶體管的高壓，高速驅動器，具有獨立的上層輸出通道和下層輸出通道。IR2132最大的優點在于只需1個供電電源，即可同時控制六個大功率管的導通和關斷順序。HIN1-HIN3，LIN1-LIN3是逆變器上橋臂和下橋臂的驅動信號輸入端，低電平有效，HO1-HO3，LO1-LO3則為信號輸出端。IR2132內部具有電流保護電路，FAULT引腳在過流或欠壓狀態會輸出制動信號，關斷輸出信號。IR2132內部還具有電流比較電路，設定電機比較電流，使其適用于對不同功率電機的控制。系統工作時，使用場效應晶體管的橋式逆變器向電動機繞組提供電壓。位于控制板上的非接觸式霍爾傳感器用于測量電機電流。借助安裝在機輪內部的霍爾傳感器的信號，通過計算隨脈沖周期增加而調整的速度值來確定機輪的旋轉速度。給定的速度信號為寬度可變且頻率恒定為50Hz的脈沖信號。為便于調試微控制器程序，控制板上安裝了電位計，撥動開關和用于與計算機通信的串行端口連接器。微控制器程序是用C語言編寫的。選擇塊算法作為電動機繞組電流換向的算法。在這種情況下，在機輪中的霍爾傳感器的狀態能精確地規定換向時間，從而保證恒定的同步。所以即使發動機已停止，也不需要重新同步，而只需增加繞組兩端的電壓，即改變輸入逆變器晶體管的柵極的PWM信號即可，也就構成了具有P控制器的內部電流控制電路。輪式機器人有兩個控制板，每個電機輪一個。

4 下級控制板的設計

第三節所介紹的電動機機輪速度控制板，其實是從下級控制板接收信號并開始工作的。這個下級控制板安裝有兩個通過I2C協議連接的8位微控制器，加速度計，陀螺儀，壓力傳感器，指南針，GPS接收器，以及一個超聲波測距儀。其中第一個微控制器從以上所有的傳感器中接收并處理數據，再通過I2C接口以恒定的頻率將它們傳輸給第二個傳感器。第二個微控制器電機輪速度控制板相連，從電機輪速度控制板獲取當前機輪的轉速值，并向控制板發送轉速要求。還可以通過RS-232串行協議向單板計算機發送傳感器讀數和兩個電機輪的速度。單板機，也就是上級控制系統發出控制信號，經過下級控制板，使兩個電機輪能從相應地速度控制板接收任務。除此之外，這個下級控制板也可以看作是用于連接上級和下級元件之間的緩沖板。

5 空間移動設想

除了針對以上速度和通信控制系統的研究設計，該三輪機器人項目正在開發空間移動和模式識別程序。在文章起始處的控制系統示意圖中，單板機除了與下級控制板相連，還配有一個深度傳感器和一個RGB相機。希望三輪機器人可以實現避開障礙物獨立行走的功能，甚至可以基于從機器人到周圍物體的距離的測量，在困難條件下找出最佳運動路線。使用深度相機，可以基于從機器人到物體的距離的測量來在困難條件下構建最佳運動軌跡。

深度傳感器向空間發射紅外線，并使用帶紅外濾光片的相機讀取物體輪廓，以獲得周圍空間深度的圖片。使用Qt開發的OpenNI，可以識別機器人前方對象的輪廓。同時，使用RGB相機解決模式識別的問題，先識別一種顏色的區域，再在該區域里尋找另一種顏色的區域，如果能夠找到，則圖像識別完成。

6 結語

加入深度傳感器和RGB相機后，這將會是一臺具有計算機視覺的三輪機器人。機器人可以使用周圍空間的三維掃描儀自主移動，或者沿預定路徑移動，或者按照某種方式移動，還可以根據來自Wi-Fi網絡內的計算機的操作員命令移動。這些計劃將進一步改善這臺人工智能機器人，使其在工業領域甚至其他領域具有更廣闊的應用景。