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1、 8051單片機(jī)的I/O口一般能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。高電平時(shí)最大拉出0.25mA電流,低電平時(shí)可灌入20mA電流(可帶一個(gè)發(fā)光二極管)。使用時(shí)一般采用灌電流方式。 絕大多數(shù)應(yīng)用都需另加驅(qū)動(dòng)電路。4.1常用功率驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器件 1、電磁繼電器 2、晶體管、場效應(yīng)管 3、可控硅4.1.1電磁繼電器 1、構(gòu)造與工作原理 2、應(yīng)用實(shí)例 3、使用注意事項(xiàng) 4、優(yōu)缺點(diǎn)直流電磁繼電器結(jié)構(gòu)示意圖繼電器應(yīng)用例子 控制電燈的開關(guān)3、使用注意事項(xiàng) 1、工作電壓應(yīng)符合線圈額定電壓 2、驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)滿足要求 3、注意觸點(diǎn)的允許電流4、電磁繼電器的特點(diǎn) 1、控制簡單,通斷干脆 2、控制回路與被控回路各自獨(dú)立隔離 3、機(jī)械開
2、關(guān)(既可控制交流回路也可控制直流回路) 4、觸點(diǎn)易出現(xiàn)拉弧積炭,使用壽命較短 5、易產(chǎn)生電磁干擾4.1.2 固態(tài)繼電器 工作原理工作原理:使用可控硅(晶閘管)作為功率開關(guān)元件,光電耦合元件作為控制和隔離器件。 工作特點(diǎn):工作特點(diǎn):1、無觸點(diǎn)、壽命長。2、采用光耦隔離,抗干擾能力強(qiáng)。3、控制簡單,可控功率大。4、適合交流控制應(yīng)用。單向可控硅結(jié)構(gòu)示意圖可控硅工作原理 單向可控硅由PNPN四層半導(dǎo)體組成,并引出陽極、控制極和陰極。相當(dāng)于兩個(gè)互連的晶體管,當(dāng)接上正向電壓時(shí),在控制極與陰極間加上觸發(fā)信號(hào),可控硅迅速導(dǎo)通。觸發(fā)信號(hào)撤銷后,可控硅保持導(dǎo)通,要使可控硅截止必須降低正向電壓直到導(dǎo)通電流小于其維持
3、電流或在控制極加反向信號(hào)迫使其關(guān)斷。 固態(tài)繼電器使用雙向可控硅固態(tài)繼電器的內(nèi)部電路及應(yīng)用 內(nèi)部電路圖 有開關(guān)型和調(diào)相型 開關(guān)型作為交流電路功率開關(guān)。 調(diào)相型作為交流電路功率調(diào)節(jié)元件被廣泛的應(yīng)用于調(diào)壓、可控整流、調(diào)光等場合4.2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力主要有電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)等。簡易機(jī)器人主要使用電氣驅(qū)動(dòng)。 電氣驅(qū)動(dòng)主要是電動(dòng)機(jī)(直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)。4.2.1 直流電動(dòng)機(jī) 一、構(gòu)造: 定子:由永磁鐵或電磁線圈組成,小功率直流電機(jī)一般采用永磁鐵,稱永磁式電動(dòng)機(jī)。 轉(zhuǎn)子:由轉(zhuǎn)動(dòng)軸及固定在軸上的硅鋼片和線圈組成。 換向器:電刷夾在轉(zhuǎn)子線圈引出端。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖二、工
4、作原理及工作特性 轉(zhuǎn)子線圈通電后在定子磁場力的作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)并在換向器的變向下朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 具有良好的線性調(diào)速特性。 控制簡單,效率高。三、控制電路 1、轉(zhuǎn)向的控制(采用H橋電路) 2、轉(zhuǎn)速的控制(采用PWM)H橋驅(qū)動(dòng)芯片轉(zhuǎn)速的控制 脈寬調(diào)制(PWM)簡介: 定頻調(diào)寬法(T不變,T1、T2變) UO=US (T1/T)4.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 一、特點(diǎn):1、角位移與輸入脈沖成正比且在時(shí)間上同步,轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)的頻率。2、容易實(shí)現(xiàn)啟、停、變向、變速等控制??刂茣r(shí)間短。3、輸出精度高,幾乎沒有累積誤差。4、直接數(shù)字信號(hào)控制,與計(jì)算機(jī)接口方便。5、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩(5倍于直流電機(jī))。6、壽
5、命長。 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型 1、永磁式:轉(zhuǎn)子由永磁材料制成,是低成本低轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)。其步距角較大,性能較差。 2、反應(yīng)式:轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成,產(chǎn)生中等轉(zhuǎn)矩,步距角可以做得較?。?.915度)結(jié)構(gòu)簡單,成本低,但斷電時(shí)沒有保持力動(dòng)態(tài)性能較差。 3、混合式:綜合上述兩種的優(yōu)點(diǎn),但結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格高。三、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子組成,定子上有若干對(duì)磁極,每對(duì)磁極上繞有線圈。面向轉(zhuǎn)子部分分布著梳狀小齒。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成一個(gè)圓柱體,圓周上也分布著與定子相似的小齒,齒距相同。轉(zhuǎn)子齒在圓周均勻分布而定子齒在磁極上,對(duì)于定子圓周來說屬于不完全齒。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),轉(zhuǎn)子小齒與定子某對(duì)磁極上的小齒對(duì)
6、齒時(shí)(這時(shí)磁阻最小),其它磁極必須處在錯(cuò)齒的位置。例三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖:例、三相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 定子有三對(duì)磁極(稱A、B、C三相)相隔120度分布。設(shè)轉(zhuǎn)子上有40個(gè)小齒,則齒距角為360/409 設(shè)轉(zhuǎn)子的0號(hào)齒與A相磁極的中心齒對(duì)齊(稱對(duì)齒,這時(shí)磁阻最?。瑒tB相中心齒將對(duì)著轉(zhuǎn)子的13號(hào)齒過1/3齒距角(3)處(錯(cuò)齒),C相對(duì)著26號(hào)齒過2/3齒距角處。 當(dāng)A相通電時(shí),轉(zhuǎn)子0號(hào)齒與A相磁極對(duì)齒;A相斷電對(duì)B相通電時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1/3齒距角使B相對(duì)齒;B相斷電而C相通電時(shí),轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)1/3齒距角 轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。本例的步距角為3反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 定子繞組磁極的分
7、度角不能被齒距角整除,否則無法形成錯(cuò)齒。 定子繞組磁極的分度角被齒距角整除后所得的余數(shù),應(yīng)是步距角的倍數(shù)且倍數(shù)值與相數(shù)不能有公因子,否則無法形成錯(cuò)齒。四、三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式 單三拍方式(A、B、C):單(指每次對(duì)單相通電);三拍(指電機(jī)換相三次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)齒距)。 雙三拍方式(AB、BC、CA)。每次對(duì)兩相通電,換相三次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)齒距。 六拍方式(A、AB、B、BC、C、CA)。也稱單雙六拍工作方式。換相六次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)齒距。單三拍工作波形 通電相序A、B、C雙三拍方式 通電方式AB、BC、CA雙三拍工作特點(diǎn) 同時(shí)兩相通電,磁場建立方式不
8、同,轉(zhuǎn)子不是處于對(duì)齒狀態(tài),而是處于1/6齒距角處達(dá)到平衡。 步距角還是1/3齒距角。 比單三拍功耗大,但力矩大,不易產(chǎn)生失步等。單雙六拍波形圖 通電方式A、AB、B、BC、C、CA步距角計(jì)算公式 步距角齒距角/工作拍數(shù)工作方式單三拍雙三拍六拍步進(jìn)周期 T T T每相通電時(shí)間 T 2T 3T走齒周期 3T 3T 6T高頻性能差較好較好轉(zhuǎn)矩小中大電磁阻尼小較大較大振蕩易中不易功耗小大中五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法 1、單電壓驅(qū)動(dòng) 2、雙電壓驅(qū)動(dòng) 3、恒流斬波驅(qū)動(dòng) 4、細(xì)分驅(qū)動(dòng)1、單電壓驅(qū)動(dòng) 電路簡單,但電路損耗大、效率低、高頻性能差。只適合于小功率且轉(zhuǎn)速變化不大的場合應(yīng)用。2、雙電壓驅(qū)動(dòng) 用提高電壓的
9、方法可以使繞組電流上升波形變陡,這就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)方法。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種方式:雙電壓法和高低壓法。3、斬波驅(qū)動(dòng) 雙電壓驅(qū)動(dòng)需要兩組電源,增加電路成本。目前普遍使用恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路。它無需外接限流電阻,提高了效率和高頻性能。但會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。4、細(xì)分驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)的步距角是設(shè)計(jì)時(shí)就固定的,受機(jī)械限制,步距角不可能做的很小。在一些應(yīng)用中,往往要求電機(jī)能夠走的更細(xì)一點(diǎn),這就給驅(qū)動(dòng)電路提出了新的要求。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理就是在換相時(shí)不是一步到位,而是分步進(jìn)行。(對(duì)通電相分步增加電流,對(duì)斷電相也分步減少電流) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路一般在斬波電路基礎(chǔ)上增加D/A轉(zhuǎn)換電路對(duì)電流進(jìn)行控制。六、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 1、
10、控制換相順序(工作方式):采用查表方式。 2、控制轉(zhuǎn)向:倒向查表 3、控制轉(zhuǎn)速:控制每步間隔時(shí)間。4.3 能源(電池) 簡易機(jī)器人一般都是移動(dòng)機(jī)器人,為了移動(dòng)方便,其電源供應(yīng)往往采用自身攜帶直流電源。由于機(jī)器人有電機(jī)、單片機(jī)以及電子電路等耗電部件,其耗電較大,同時(shí)簡易機(jī)器人往往還要限制自身重量等,所以供電電源的選擇也是一項(xiàng)重要的工作。一、干電池 干電池屬一次電池,價(jià)格便宜。但不能反復(fù)充放電。其放電電流較小,不能連續(xù)長時(shí)間放電。它只適合小電流、間歇工作狀態(tài)的應(yīng)用場合。 典型的干電池有堿電池和錳電池,堿電池的容量和電流比錳電池大,現(xiàn)在市面上基本上是堿電池。 干電池一節(jié)電壓為1.5V,在簡易機(jī)器人上需要多節(jié)電池串連使用。二、蓄電池 蓄電池可反復(fù)充電,反復(fù)使用。 蓄電池放電電流較大,適合機(jī)器人的使用。 蓄電池用安時(shí)(Ah)或毫安時(shí)(mAh)表示容量。它指在規(guī)定溫度、放電電流和終止電壓條件下完全充電的電池所能輸出的電量。 電池的充放電電流用C(代表電池容量)與系數(shù)的乘積來表示。蓄電池放電曲線圖一、鎳鎘電池 可反復(fù)充放電500次以上的化學(xué)反應(yīng)蓄電池。 放電電流大(N型達(dá)3C,P型達(dá)25C
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