舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计

在中国科大首届机器人舞蹈比赛中（中央10台节目转播）,我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作,荣获一等奖。电路采用74373锁存,74LS244和ULN2003作电压和电流驱动,单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式,实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。

1 步进电机简介

步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。

2 四相五线制步进电机的驱动电路

电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的I/O端口,通过74373锁存,由74LS244驱动,ULN2003对信号进行放大。8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线,向电机传送步进脉冲。每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号,锁存步进电机四相脉冲,经ULN2003放大到12V驱动电机运转。

电路原理图（部分）如图2所示。

（1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器,可寻址64K字节,共有32个可编程双向I/O口,分别称为P0～P3。该系列单片机上集成8K的ROM,128字节RAM可供使用。

（2）74LS244为三态控制芯片,目的是使单片机足以驱动ULN2003。ULN2003是常用的达林顿管阵列,工作电压是12V,可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。

（3）74373是电平控制锁存器,它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端,见表1。 

这是一种基于总线分时复用的方式,以动态扫描的方式来发送控制信号,这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省I/O口,使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制8个。

3 程序设计

传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列,但当电机数目发生变化时,编程繁杂,冗余代码较多,难以做到信号占空比一致,进而产生“抖动”现象。下面提出一种基于中断服务方式,面向舞蹈动作,可实时改变各个电机速度和方向（每200ms可改变一次）的程序设计方法。

3．1 速度归一化和线性关系

我们将速度量化成一个-128～127内可变的数,正号代表正转,负号代表返转,称之归一化速度（-128～127为一个字节）。给每个电机分配一个速度累加计数器speed_tickers[i](I=0,1,2…,7分别代表8个电机),初始值为0,每个中断触发周期内给该累加计数器加上从舞步信息数组dancedata中读取的速度值speeds[i],当计数器值大于或等于预设的阈值MAX_SPEED_TICKER=600时,则发送脉冲序列中的下一个（正转）或上一个（反转）给步进电机,这取决于速度的符号（参考3.2节）。同时,将该电机的累加计数器speed_tickers[i]恢复为0。给出的速度值speed[i]越大,则累加达到或超过阈值MAX_SPEED_TICKER的时间就越短,那么向步进电机发送脉冲的频率就越高,速度也就越快。

归一化速度值设为num（-128～127）,电机实际旋转速度设为V,那么V和num之间满足关系式：

（1）当num是阈值600的约数时,

其中,[x]代表不超过x的最大整数。

（3）V₀是一个速度常数,即当归一化速度值num=120的时候对应的电机实际速度。

（4）num和速度V近似线性关系,V∝num。正是因为有了这种函数关系,我们在舞蹈动作控制中,可以轻松实现速度在大范围内变化。

3．2 速度正负实现方式

    （1）在程序中,数组steps[8]用于存放步进电机的脉冲序列。

        （2）设置指针cur_step[8]指向8个电机当前处在脉冲序列step[8]中的位置。
    易知：0<=step[i]<=7,其中,i分别代表8个电机。

（3）设置指针移动变量delta=0。delta=1,指针向后移动一步,电机正转;delta=-1,指针向前移动一步,电机反转;delta=0,指针不移动,电机不发生转动。 [page]

3．3 程序具体步骤

3．3．1初始化计时器InitTimer,然后空循环,进入等中断阶段。

3．3．2 中断触发后,程序进入服务程序。

    （1）执行函数SetAllSpeeds,函数根据提供的速度值speed[i]依次判断是否给各个电机发送脉冲,实现电机以特定的速度和方向旋转。SetAllSpeeds具体算法流程见图3。

（2）从定义的数组dancedata中读取新的速度信息,每200ms一次。

（3）将系统在调用中断处理函数时关闭的计时器重新打开InitTimer。

（4）中断处理函数结束返回。

注意：第一,（1）和（2）不可交换,这是为了保证步进电机每步延时的均匀性;第二,内部中断间隔时间1ms内,8051是否能够将中断服务程序中所有的代码执行完全？答案是肯定的。参考图4,我们对整个中断服务程序进行了统计,它所要执行的指令数在200～300之间变化,时钟间隔设置为1ms,选用12MHz晶振,执行这些指令需要耗时约500～600μs<1ms,因此,中断处理完全可以在一个计时器周期内执行完毕。

3．4 舞蹈编排

在舞蹈编排中,我们面向的是动作,因此,必须关心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中,舞步信息数组格式如下：

每组数据含有8个字节,分别代表8个电机的归一化速度num,这点在3.1节中已经做了详细分析。程序每200ms读一次数据,换句话说,每组数据的有效期只有200ms。我们分析表2一组数据代表的含义。

    （1）组数为25,这隐含了动作的时间信息。因为每组数据的有效期为200ms,所以,25组数据的执行时间为：200ms×25=5000ms

（2）左脚和右脚（轮式）的归一化速度相等,方向相反。根据公式（1）可以知道

        V=0.5×V₀

所以,机器人以0.5V₀的速度原地转圈5000ms。

（3）其它关节的归一化速度num=0,说明其它关节均无动作。

3．5 可视化辅助程序简介

我们发现一个简单的动作竞需要5组数据,5分钟的舞蹈需要组数据（需占用1.5K存储空间,AT89C52足够）。如果人工填写这些数据,将十分困难。因此在实际的运用中,我们用C+Builder编写了机器人模拟程序,采用图形界面,预一化速度和时间信息,写入data.h,只要将其作为头文件,电机驱动程序将自动读取。

4 电路和程序特点总结

       （1）一块单片机控制多个步进电机,总线分时复用。

（2）程序基于中断服务,电机工作稳定可靠。

（3）提出归一化速度,实现了速度V大范围可变。

（4）数据更新每200ms一次,可以轻松控制各个电机实时加速、减速、爆发,从而使舞蹈更人性化、感情化。这也正是我们允许数据量大的原因。 [page]

（5）辅助程序实现编程可视化。

文末是中国科大首届机器人舞蹈比赛中用到的程序实例。

参考文献 

1 顾天柱,陈巳康.C51交叉编译系统.上海：复旦大学出版社,1990,8

2 胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：清华大学出版社,2002