电机控制和驱动模块的设计  

轮式移动机器人的两个驱动轮速度分别由两台驱动电机控制，实现机器人不同方向和速度的运动。轮式移动机器人的性能要求电机转矩大，脉动小。在高、中、低速下驱动电机均有良好的性能，且控制方式简单，因此驱动电机选用方波驱动的交流永磁同步电机。这种电机根据转子位置反馈信息采用电子换相运行，电机转速与驱动信号的频率成正比，既具备交流电机结构简单，运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机动态特性好，调速性能优良的优点。  


  
系统通过CPLD和外部驱动器件构成控制电路，采用方波驱动和***控制(通电状态控制)的方式，控制两台永磁同步电机，获得可调的***速度和位置控制，结构紧凑。两路电机控制原理相同，这里只介绍一路。  

CPLD中的电机控制电路由分频电路、调速电路、相序分配电路组成。其中，分频电路由分频器构成；调速电路是利用MAX+PLUSⅡ的LPM宏单元库的算术运算模块lpm_counter构成可预置数的5位减计数器。根据所需的速度，设置预置数，计数器对分频电路输山的clk脉冲信号减计数至零时输出一个借位脉冲，并再次装入预置数进行减计数，将其借位脉冲cout作为调速电路的输出脉冲，cout借位脉冲的频率范围为fclk／1-fclk／31，即引入了步长为1的调速因子(预置数)。可通过改变调速因子对脉冲信号进行1～31倍的连续可调分频，从而调***的转速；而相序分配电路是以cout借位脉冲作为输入，利用两个D触发器和门电路输出4路相位相差90°的方波脉冲，作为两相同步电机的控制信号；stop信号控制电机的启停；dir信号控制电机的转向，正转时相电压uCD超前uAB 90°，反转时uA***前uCD90°，各相信号的频率为cout脉冲频率的1／4。CPLD中输入的调速和相序分配电路原理见图2。仿真结果验证了设计逻辑的正确性，如图3所示。  


  
外部驱动器采用L298双H桥高电压大电流功率集成电路，将脉冲发牛电路产生的4相方波信号经总线收发器74LS245输出至L298的输入端IN1～IN4，控制H桥的通断，使电机正反转或停止。为防止电机在启停瞬间的反馈电压损坏L298，在L298输出端和电机之间加人8个二极管起断电续流的保护作用。  

为了改善电机的控制性能，实现对机器人更***和稳定的运动控制，需要获得电机的速度信息作为电机控制的反馈环节，该系统采用增量式光电编码器作速度检测，两个光电编码器分别与两路电机同轴相连，由CPLD配合ARM器件实现变脉冲数／脉冲周期测速，即变M／T测速，定时对电机速度进行采样。采样速度和上位机的给定速度所得差值传人PID控制器。从而实现对电机速度的闭环控制。