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.
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.

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