(内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要：文章介绍了直流电机控制机器人的技术过程，同 时还详细解析了电子控制系统方案、测速系统等技术环节。
关键词：机器人；直流电机；调速；测速
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：[HT K]1007—6921(2008)20—0099—02
移动机器人的运动方式有轮式、履带式和步行方式。本文的移动机器人设计成三轮差动转向 式小车，该移动机器人小车的结构由车体和两个驱动轮、一个随动轮组成，其中前轮为随动 轮，不产生驱动力矩，只起支撑作用，在机器人转向时它可以自由转动，两个后轮都是驱动 轮，固定不可转向，且相互独立，每个轮子有独立的电机及驱动模块。本系统以价格低廉、 易于控制的直流电机为驱动，对单个电机用速度单闭环控制，对两电机使用差速法控制。电 机控制系统作为小型自主轮式移动机器人运动的执行机构需具备高度的可控性及快速的反应 能力。
本电机控制系统是该移动机器人小车的一部分，同时它还具有避障的功能，即在运动过程中 可利用携带的多种传感器来获取周围环境信息，并根据这些信息进行局部的路径规划以实时 避开障碍物。
1 电机控制系统方案
机器人驱动轮的控制采用全数字式直流伺服系统，控制原理如图1所示。.gif)
直流电机的转速与加在电机控制绕组上的电压和激磁绕组上的磁通有关，故直流电动机转速 的控制方法可分为两类, 即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通,其控制功 率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且 由于励磁线圈电感较大,动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢 电压控制法。本系统即采用保持激磁磁通不变，改变控制绕组电压的方法实现对电机转速的 调节。
89C51单片机与H桥驱动芯片L293D结合组成两路电机控制及调速系统。89C51单片机的P1口通 过编程可输出脉宽调制波（PWM），采用脉宽调制的方法来控制转速，可在大范围内实现对 电机转速的无级调节和稳定提高转速的控制精度和效率。电机驱动采用桥式PWM有限单向式 晶体管放大器，工作稳定可靠，响应快。由于电机的控制信号直接由微机产生，而直流电机 的驱动电路直接引入12V的电压，如果电路发生问题，电流会直接流入微机，对微机造成损 害，所以所有的控制信号以及反馈信号必须由光电隔离器件进行隔离，使电机驱动电路同电 机控制部分完全隔离，这样即使电路出现问题，也不会对整个系统造成很大的损害。
测速系统采用光电编码盘作为位置和速度传感器构成速度闭环，当机器人起动，电机运转， 光电编码器即将电机转速转换成电脉冲信号，经光电隔离和整形后送单片机89C51内部定时 器/计数器T0和T1进行计数，CPU经过适当的计算得到两电机在固定时间段内的平均速度。单 片机把接收到上位机发来的理论速度与其所测的实际速度相结合得出电机下一步的运动指令 ，并输送到伺服系统以控制电机的转速。在测速的基础上，对两电机进行差速控制，实现机 器人的各种运动。
2 测速系统
为了改善电机的控制性能及实现对机器人运动的精确控制，需要获取电机的速度信息。电动 机的测速方法有很多，常用的有借助于光电编码器、霍尔器件、测速电机及反射式光电传感 器等来实现。光电编码器可同时得到电机的转向和转速信息且测量精度高，因此本系统选用 光电编码器进行测速。
2.1 光电编码盘工作原理
增量式光学编码器（即光电码盘）能够以数字的形式确定被测旋转物体相对于某个基准点的 瞬时角位置，若配上相应电路还能应用于测量角速度。这种编码器由光源、码盘和光电敏感 元件组成。光学编码器码盘的边缘上刻有相等角距的辐射状缝隙（分为透光和不透光部分） ，于是在基体上形成了透明和不透明的码区，透明区和不透明区分别代表了二进制码0和1。 编码盘的性能好坏主要取决于码盘的质量和刻度的精度。光学编码器通常采用照相技术和光 刻技术制作。在开缝圆盘的两侧分别安装光源和光敏元件，通常不但要求光源具有较高的可 靠性，而且要求光源的光谱要和光电敏感元件相适应，光源的工作温度范围要宽。光电敏感 元件可以采用光电二极管、光电晶体管或硅光电池。光学编码器的基本构成如图2所示。
码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线明暗的变化，并通过光敏元件产 生一次电信号的变化，为了提高输出逻辑电压，还需要加接电压放大器，电压放大器通常由 集成电路高增益差分运算放大器组成，经过整形放大，即可得到一定幅值和功率的电脉冲输 出信号。将输出的脉冲信号送到计数器中去进行计数，在某一采样时间内通过对脉冲的计数 来确定工作轴转速的大小，设采样时间为Tc，光电码盘的缝隙数为Pn，在采样时间内所测的 脉冲数为m，则工作轴转速N（r/min）为：
N=60m/TcPn。
2.2 测速系统电路实现
转速测量电路用于测量机器人移动的速度，测速反馈电路由光码盘、发光二极管、光电三极 管及施密特触发器CD40106组成。电路如图4所示。当光码盘上的孔经过发光二极管时，发光 二极管发出的光使光电三极管导通，1端输出低电平，2端输出高电平。当光码盘上的非孔部 分经过发光二极管时，2端输出低电平。左右电机测速脉冲信号经过光电隔离送往单片机的P 3.4脚（T0）和P3.5脚（T1 ）作为定时器/计数器0和定时器/计数器1的外部触发信号，计数 器记录这些脉冲，根据在固定时间内的脉冲数，即可计算出机器人移动的速度。
本系统中闭环控制的采样周期取为1ms，该计算速度的时间基准由图5所示的脉冲发生电路产 生。它产生脉冲的频率为1KHz，因而每隔1ms产生一个脉冲，触