社区安保服务机器人的驱动与控制(附件)【字数：12257】
摘要现如今，随着人民的生活的提高和自动化的迅速发展，各种服务性质的机器人应运而生。现阶段，各类机器人都越来越趋向于小型化、高效化以及智能化。而作为机器人执行元件的一个重要的部分，其电机必须具备速度快、精度好、效率高等特点。直流无刷电机的使用和需求也因此迅速增大。本文的目的是设计一种安保服务机器人的驱动控制系统。该系统的主要结构是由两个平行的车轮加上一个万向轮构成。它的工作原理是通过直流无刷电机直接带动车轮运转，通过单片机输出信号，实现机器人的前进、后退以及精准调速。本文在仔细整理和研究了国内外的安保服务机器人的驱动的文献资料的基础上，选用了合适的单片机、主控芯片、功率MOS管等主要的电子元器件设计好了安保机器人驱动电路，并且完成了对驱动控制系统部分的硬件电路的搭建。硬件电路部分搭建完成了以后，驱动系统的各个模块相互协调工作。MSP430F149采集外部输入信号，给主控芯片MC33035输入控制信号，并与其配套芯片MC33039驱动全桥控制电路实现驱动控制系统的速度的闭环控制，从而使安保服务机器人可以实现前进、后退、能耗制动、调速以及转向等一系列基本功能。关键词安保机器人；直流无刷电机；MSP430单片机；驱动
目 录
第一章 绪论 1
1.1 机器人的驱动控制的研究背景和意义 1
1.2 机器人驱动控制的国内外研究状况与发展历程 1
1.2.1 国外的发展历程 1
1.2.2 国内的发展历程 3
1.3 本课题的主要工作 3
第二章 安保服务机器人控制系统的方案设计 6
2.1 安保机器人的驱动电机选用 6
2.2 直流无刷电机的基本结构和工作原理 8
2.3直流无刷电机的选型计算 9
2.4 直流无刷电机的主控芯片的选型 9
2.5 单片机的选型 11
第三章 安保服务机器人控制系统的硬件设计 15
3.1 安保机器人的电源电路 15
3.1.1 主控芯片供电电路 15
3.1.2 光耦合器供电电路 16
3.1.3 单片机供电电路 17
3.1.4 功率MOS管 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的供电电路 17
3.2 单片机的外围电路 18
3.2.1 复位电路 18
3.2.2 晶振电路 19
3.2.3 JTAG电路 19
3.3 安保机器人的驱动控制电路 20
3.3.1 MOS管的选用 20
3.3.2 全桥驱动电路 20
3.3.3 主控芯片电路 22
3.4 驱动控制电路与单片机的连接 23
3.5 保护电路 24
第四章 安保服务机器人控制系统的程序设计 26
4.1 初始化程序 26
4.2 电机驱动程序 28
4.3 主处理程序 29
第五章 安保服务机器人控制系统的制作及测试 30
5.1 PCB板的绘制 30
5.2 PCB板的制作 30
5.3 驱动控制板的测试 31
5.3.1 电源模块测试 31
5.3.2 电机驱动口测试 32
5.3.3 霍尔信号口测试 32
5.4 机器人移动测试 33
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 机器人的驱动控制的研究背景和意义
近年来，随着科学技术、社会生产力的不断发展以及人们生活水平的不断提高，人们对于机器人的需求在不断地上升。机器人是一种综合的机电系统，它能准确地感知周围的环境，并根据采集得到的信号做出准确的决定[1]。它存在的意义，是为了提高效率简化劳动。受到市场的需求的影响，服务机器人的技术更进一步发展。
在现实的生活中，有些任务会对人体的要求很高或者很浪费时间，比如说：焊接、精密装配、巡逻或者是探险等，这些人们做不了或者说是不适合去做的领域就是机器人大展身手的地方。
安保服务机器人能够长时间、高效率地完成各种安保任务，具体包括：自主安保巡逻、智能识别并拦截入侵者和监控各种灾害等。这样能节约大量的人力资源，解放人们的劳动力。并且，这种小型的安保服务机器人电机驱动功率相对较小，使用能耗大大降低，为机器人的长时间的续航能力提供了良好的保障。
随着各类机器人技术的不断进步与发展，机器人所能应用的范围越来越广泛，对机器人的性能的要求会不断地提升，因此，如何准确而又有效地控制机器人的工作即对机器人的驱动控制系统的研究无疑对于整个机器人行业的发展具有重大的意义。
1.2 机器人驱动控制的国内外研究状况与发展历程
机器人所用的控制电机大多分为直流无刷电机和直流有刷电机两种[2]。直流有刷电机的控制相对来说比较简单，其控制技术已经相当成熟。直流无刷电机是根据直流有刷电机的结构所演变出来的，其驱动控制方面美国、德国、日本等国家起步比较早，他们在这方面所投入的研究也比较多，已经达到了一个很高的水准，处于国际的领先水平。而国内对于这一方面的研究还相对来说比较少，有待于发展。下面介绍国内外在直流无刷电机的驱动控制方面的发展历程。
1.2.1 国外的发展历程
在直流无刷电机的驱动控制的研究领域，国外的专业人士已经取得了很多的成果。
自从上个世纪初开始，美国等工业发达的国家就已经有人着手究以电力取代机械实现换向功能的直流无刷电机，但因为那会儿大功率的电子器件的发展刚开始起步，所以导致无刷电机的研究条件变得苛刻，只能放在实验室去使用，并没有实用的价值，无法将其大范围的推广。直到二十世纪的六十年代，美国人D.Harrison带着他的团队最先申请了用大功率晶体管代替机械式电刷来进行电机换向控制的专利，才意味着直流无刷电机的正式诞生。二十世纪八十年代，在汉诺威贸易博览会上，德国的西德MANNESMANN公司正式推出了MAC方波无刷电机以及它配套的驱动器，代表着具有电子换相技术的直流无刷电机开始真正进入实际使用阶段。H.R.Bolton于1986年对方波无刷电机进行了全面而又系统的概述，成为了研究方波直流无刷电机的经典文献，这一概述代表着在理论上方波无刷电机已经达到了成熟。紧接着，国际上掀起了对直流无刷电机研究的热潮，在这样的氛围下，方波直流无刷电机和正弦波直流无刷电机接连被研制出来。对正弦波的无刷电机的控制需要比较精确的转子的位置信号，所以它使用的位置传感器的结构会较为复杂，成本相对来说也比较高。但它的控制方法多种多样，转矩的波动范围也较小，所以它正常运用于伺服控制系统。方波型的无刷电机，对它供电的电流的波形为方波，它的控制系统对转子的位置的信号反馈要求不严格，仅仅只要得到一些个转子的关键位置的信号就行了，所以它的价格也比较低，外加上对它控制的实现方式比较简单，因此方波直流无刷电机得到了大范围的使用。所以在大多数情况下，直流无刷电机一般是指方波型的无刷电机[3]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 机器人的驱动控制的研究背景和意义 1
1.2 机器人驱动控制的国内外研究状况与发展历程 1
1.2.1 国外的发展历程 1
1.2.2 国内的发展历程 3
1.3 本课题的主要工作 3
第二章 安保服务机器人控制系统的方案设计 6
2.1 安保机器人的驱动电机选用 6
2.2 直流无刷电机的基本结构和工作原理 8
2.3直流无刷电机的选型计算 9
2.4 直流无刷电机的主控芯片的选型 9
2.5 单片机的选型 11
第三章 安保服务机器人控制系统的硬件设计 15
3.1 安保机器人的电源电路 15
3.1.1 主控芯片供电电路 15
3.1.2 光耦合器供电电路 16
3.1.3 单片机供电电路 17
3.1.4 功率MOS管 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
的供电电路 17
3.2 单片机的外围电路 18
3.2.1 复位电路 18
3.2.2 晶振电路 19
3.2.3 JTAG电路 19
3.3 安保机器人的驱动控制电路 20
3.3.1 MOS管的选用 20
3.3.2 全桥驱动电路 20
3.3.3 主控芯片电路 22
3.4 驱动控制电路与单片机的连接 23
3.5 保护电路 24
第四章 安保服务机器人控制系统的程序设计 26
4.1 初始化程序 26
4.2 电机驱动程序 28
4.3 主处理程序 29
第五章 安保服务机器人控制系统的制作及测试 30
5.1 PCB板的绘制 30
5.2 PCB板的制作 30
5.3 驱动控制板的测试 31
5.3.1 电源模块测试 31
5.3.2 电机驱动口测试 32
5.3.3 霍尔信号口测试 32
5.4 机器人移动测试 33
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 机器人的驱动控制的研究背景和意义
近年来，随着科学技术、社会生产力的不断发展以及人们生活水平的不断提高，人们对于机器人的需求在不断地上升。机器人是一种综合的机电系统，它能准确地感知周围的环境，并根据采集得到的信号做出准确的决定[1]。它存在的意义，是为了提高效率简化劳动。受到市场的需求的影响，服务机器人的技术更进一步发展。
在现实的生活中，有些任务会对人体的要求很高或者很浪费时间，比如说：焊接、精密装配、巡逻或者是探险等，这些人们做不了或者说是不适合去做的领域就是机器人大展身手的地方。
安保服务机器人能够长时间、高效率地完成各种安保任务，具体包括：自主安保巡逻、智能识别并拦截入侵者和监控各种灾害等。这样能节约大量的人力资源，解放人们的劳动力。并且，这种小型的安保服务机器人电机驱动功率相对较小，使用能耗大大降低，为机器人的长时间的续航能力提供了良好的保障。
随着各类机器人技术的不断进步与发展，机器人所能应用的范围越来越广泛，对机器人的性能的要求会不断地提升，因此，如何准确而又有效地控制机器人的工作即对机器人的驱动控制系统的研究无疑对于整个机器人行业的发展具有重大的意义。
1.2 机器人驱动控制的国内外研究状况与发展历程
机器人所用的控制电机大多分为直流无刷电机和直流有刷电机两种[2]。直流有刷电机的控制相对来说比较简单，其控制技术已经相当成熟。直流无刷电机是根据直流有刷电机的结构所演变出来的，其驱动控制方面美国、德国、日本等国家起步比较早，他们在这方面所投入的研究也比较多，已经达到了一个很高的水准，处于国际的领先水平。而国内对于这一方面的研究还相对来说比较少，有待于发展。下面介绍国内外在直流无刷电机的驱动控制方面的发展历程。
1.2.1 国外的发展历程
在直流无刷电机的驱动控制的研究领域，国外的专业人士已经取得了很多的成果。
自从上个世纪初开始，美国等工业发达的国家就已经有人着手究以电力取代机械实现换向功能的直流无刷电机，但因为那会儿大功率的电子器件的发展刚开始起步，所以导致无刷电机的研究条件变得苛刻，只能放在实验室去使用，并没有实用的价值，无法将其大范围的推广。直到二十世纪的六十年代，美国人D.Harrison带着他的团队最先申请了用大功率晶体管代替机械式电刷来进行电机换向控制的专利，才意味着直流无刷电机的正式诞生。二十世纪八十年代，在汉诺威贸易博览会上，德国的西德MANNESMANN公司正式推出了MAC方波无刷电机以及它配套的驱动器，代表着具有电子换相技术的直流无刷电机开始真正进入实际使用阶段。H.R.Bolton于1986年对方波无刷电机进行了全面而又系统的概述，成为了研究方波直流无刷电机的经典文献，这一概述代表着在理论上方波无刷电机已经达到了成熟。紧接着，国际上掀起了对直流无刷电机研究的热潮，在这样的氛围下，方波直流无刷电机和正弦波直流无刷电机接连被研制出来。对正弦波的无刷电机的控制需要比较精确的转子的位置信号，所以它使用的位置传感器的结构会较为复杂，成本相对来说也比较高。但它的控制方法多种多样，转矩的波动范围也较小，所以它正常运用于伺服控制系统。方波型的无刷电机，对它供电的电流的波形为方波，它的控制系统对转子的位置的信号反馈要求不严格，仅仅只要得到一些个转子的关键位置的信号就行了，所以它的价格也比较低，外加上对它控制的实现方式比较简单，因此方波直流无刷电机得到了大范围的使用。所以在大多数情况下，直流无刷电机一般是指方波型的无刷电机[3]。
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