4 驱动系统设计
步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。每外加一个控制脉冲，电机就运行一步，故称为步进电机或脉冲马达。与其它驱动元件相比其控制有如下几个明显的优点：
1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制； 2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积； 3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。
步进电机的品种规格很多，按照其结构和工作原理可划分为反应式电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和特种步进电机四种主要形式。本次设计中采用混合式步进电机。
步进电机的运行需要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为角位移，既控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
步进电机的驱动器拥有细分功能。控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所前进的不一定是电机的固有步距角，真正的步距角和电机驱动器有关。步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：‘当驱动器工作在不细分的半步工作状态驱动所用电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动0.9?；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.09?’，这就是细分功能。
驱动器细分后的主要优点为：
1）完全消除了电机的低频振荡。低频振荡（约在200Hz左右）是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要工作在共振区（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。
2）提高了电机的的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了30-40％。
3）提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。
本设计中共使用两个步进电机，型号分别为35BYG310和57BYG008。
为两电机选择的驱动器型号均为SH-2H057M，该驱动器所用的是全功能步进电机专用控制芯片，是由超大规模的硬件集成，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片
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油管内壁爬行机器人的设计
机控制那样易产生死机及丢步现象。
由于不同工作体对机器人行走的分辨率有不同要求，所选的驱动器有细分功能，对应不同工作体的要求，选择相应的‘细分数’，驱动器的‘细分数’调法非常简单，只需要根据面板上的提示，通过拨位开关设定即可。
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5 机器人工作过程
1）机器人置于初始状态——电机、电磁铁失电，卡紧杆放松管壁，支撑轴紧靠管壁。 2）给定行进量：机器人到工作体工作位置的距离。
3）后足卡紧，前足放松。后足处行程开关给出信号，后足已到位。行进用步进电机得电旋转，通过齿轮减速器的作用，电机带动丝杠转动，机器人的身体拉长，前部身体前进一个工作行程。
4）步进电机断电。机器人后足松开管壁，卡紧足在弹簧作用下恢复原位。前足卡紧，前足行程开关给出信号，前足已到位。步进电机得电反转，丝杠反转，机器人身体恢复原长，后部身体前进一个工作行程。
5）不同工作体对机器人行进有不同的要求，如为给定的工作位置，机器人按程序行进，到达指定位置后，进行定位。如工作体工作位置不定，例如管道探伤的工作，机器人的行进需要受到传感器所发信号控制，当机器人到达指定位置，传感器发出停止信号，机器人停止前进。
6）机器人到达指定位置后，行进用步进电机失电，机器人停止前进。同时前后足卡紧，两处行程开关给出到位信号。机器人卡进后，旋转用步进电机得电，工作体按要求进行旋转。
7）工作体在第一个位置的工作完成后，给出完成信号，旋转电机失电，机器人卡紧足放松，机器人恢复为行进状态。
根据不同工作体的要求，机器人工作过程会有所不同，但基本会按如上步骤进行爬
行动作。
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油管内壁爬行机器人的设计
6 控制系统的设计
6．1 电磁铁及步进电机的控制
本设计中共有两个步进电机和两个推拉式电磁铁需要控制，其中电磁铁控制与电机控制相比较为简单，只有得电与失电两种状态。而步进电机控制相对复杂。
在步进电机的计算机控制中，单片机、PLC等工业控制计算机根据要求产生控制信号，通过步进电机的控制接口模板，控制步进电机驱动器的脉冲输出，从而控制步进电机启动、运行、停止、换向等，其基本控制作用如下[13]：
1）控制换相顺序：步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常将通电换相这一过程称为脉冲分配。
2）控制步进电机的转向：由步进电机的工作原理可知，若按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；若反序通电换相，则电机就反转。
3）控制步进电机的速度：如果给步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速，调整控制计算机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。
由单片机实现的步进电机控制系统如图6-1 所示。
图7-1 Diagram7-1
6．2 控制系统的硬件设计
6．2．1 总体设计
本设计的控制系统主要采用八位单片机。单片机在一块芯片上集成了计算机的主要硬件资源。除具有一般计算机快速性、准确性、逻辑功能强等特性外，还具有自身特点[14]。
1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。
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