第0611 5 機(jī)器人的控制系統(tǒng)(1)

1、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院董春利 QQ：958385645實(shí)訓(xùn)樓414A機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)Mail: Keywords:robotsCompiled by: Dong Chunli復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1.什么是機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)的正問題？2.機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)的正問題解決了什么問題？3.什么是機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)的逆問題？4.機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)的逆問題解決了什么問題？5.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的正問題與運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題的異同？6.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的逆問題與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的異同？7.研究機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的主要目的之一是什么？8.什么是虛功原理？9.什么是虛位移？10. 寫出機(jī)器人靜力學(xué)的關(guān)系式，并解釋之。11. 解釋機(jī)器

2、人運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的關(guān)系。12. 寫出機(jī)器人的動(dòng)能公式。13. 寫出機(jī)器人的位能公式。機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)第五章第五章 機(jī)器人的控制系統(tǒng)第一節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)概述第二節(jié) 伺服控制系統(tǒng)及其參數(shù)第三節(jié) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速第四節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第五節(jié) 機(jī)器人控制的示教再現(xiàn)第六節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)舉例Compiled by: Dong Chunli第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述概述o機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要對(duì)機(jī)器人工作過程中的動(dòng)作順序、應(yīng)到達(dá)的位置及姿態(tài)、路徑軌跡及規(guī)劃、動(dòng)作時(shí)間間隔以及末端執(zhí)行器施加在被作用物上的力和力矩等進(jìn)行控制。o目前廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人中，控制機(jī)

3、多為微型計(jì)算機(jī)，外部有控制柜封裝。n這類機(jī)器人一般采用示教-再現(xiàn)的工作方式，機(jī)器人的作業(yè)路徑、運(yùn)動(dòng)參數(shù)由操作者手把手示教或通過程序設(shè)定，機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)示教的內(nèi)容；n機(jī)器人配有簡(jiǎn)單的內(nèi)部傳感器，用來(lái)感知運(yùn)行速度、位置和姿態(tài)等，還可以配備簡(jiǎn)易的視覺、力傳感器感知外部環(huán)境。o近年來(lái)，智能機(jī)器人的研究如火如荼。n這類機(jī)器人的控制機(jī)多為計(jì)算機(jī)，處理的信息量大，控制算法復(fù)雜。n同時(shí)配備了多種內(nèi)部、外部傳感器，不但能感知內(nèi)部關(guān)節(jié)運(yùn)行速度及力的大小，還能對(duì)外部的環(huán)境信息進(jìn)行感知、反饋和處理。Compiled by: Dong Chunli第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述概述一、機(jī)器人控制系統(tǒng)及一

4、、機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方式控制方式二、機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元控制系統(tǒng)的基本單元Compiled by: Dong Chunli一、機(jī)器人控制系統(tǒng)及一、機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方式控制方式1. 1. 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2. 2. 機(jī)器人的控制方式機(jī)器人的控制方式3. 3. 機(jī)器人的控制功能機(jī)器人的控制功能Compiled by: Dong Chunli1. 1. 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)o機(jī)器人控制系統(tǒng)是與運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的、多變量系統(tǒng) （1）與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的控制系統(tǒng)o機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)

5、。機(jī)器人手足的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要，選擇不同的參考坐標(biāo)系，并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。經(jīng)常要求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題，除此之外還要考慮慣性力、外力（包括重力）及哥氏力、向心力的影響。（2）多變量控制系統(tǒng)o一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人也至少有35個(gè)自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè)、甚至幾十個(gè)自由度。每個(gè)自由度一般包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來(lái)，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。（3）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)o把多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái)，使其按照人的意志行動(dòng)，甚至賦予機(jī)器人一定的“智能”，這個(gè)任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)必須是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。Comp

6、iled by: Dong Chunli1. 1. 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（4）耦合非線性控制系統(tǒng)o描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外方的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅利用位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度閉環(huán)甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦或自適應(yīng)控制等方法。（5）尋優(yōu)控制系統(tǒng)o機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過不同的方式和路徑來(lái)完成，因此存在一個(gè)“最優(yōu)”的問題。較高級(jí)的機(jī)器人可以用人工智能的方法，用計(jì)算機(jī)建立起龐大的信息庫(kù)，借助信息庫(kù)進(jìn)行控制、決策、管理和操作。根據(jù)傳感器和模式識(shí)別的方法獲得對(duì)象及環(huán)境的工況，按照

7、給定的指標(biāo)要求，自動(dòng)地選擇最佳的控制規(guī)律?？偠灾琽由于它的特殊性，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。然而到目前為止，機(jī)器人控制理論還是不完整、不系統(tǒng)的。相信隨著機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人控制理論必將日趨成熟。Compiled by: Dong Chunli（1）作用輸出方式o按照機(jī)器人的控制作用輸出方式，機(jī)器人的控制方式分為力控制方式、速度控制方式等類型。1）力控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時(shí)，除要準(zhǔn)確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這時(shí)就要利用力（力矩）伺服方式。o這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號(hào)，而是力（力矩）信號(hào)，

8、因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。o有時(shí)也利用接近、滑動(dòng)等傳感功能進(jìn)行自適應(yīng)式控制。2）速度控制方式：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)際上是通過各軸伺服系統(tǒng)分別控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的o分解運(yùn)動(dòng)的速度控制要求各伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器以不同的分速度同時(shí)聯(lián)合運(yùn)行，能保證機(jī)器人末端執(zhí)行器沿笛卡兒坐標(biāo)軸穩(wěn)定地運(yùn)行。o控制時(shí)先把末端執(zhí)行器期望的笛卡兒位姿分解為各關(guān)節(jié)的期望速度，然后再對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制。2. 2. 機(jī)器人的控制方式機(jī)器人的控制方式Compiled by: Dong Chunli（2）控制命令來(lái)源o按照機(jī)器人的控制命令來(lái)源不同，機(jī)器人的控制方式分為程序控制方式、自適應(yīng)控制方式、智能控制方式和其他控制方式。1）程序控制方

9、式：o給每一個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。2）自適應(yīng)控制方式：o當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變3）智能控制方式：o事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。它能以一定方式理解人的命令，感知周圍的環(huán)境、識(shí)別操作的對(duì)象，并自行規(guī)劃操作順序以完成賦予的任務(wù)，這種機(jī)器人更接近人的某些智能行為。4）其他控制方式：o基于傳感器的控制、非線形控制、分解加速度控制

10、、滑?？刂?、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制等方式。2. 2. 機(jī)器人的控制方式機(jī)器人的控制方式Compiled by: Dong Chunlio機(jī)器人的控制功能就是對(duì)機(jī)器人工作過程中的動(dòng)作順序、位置、姿態(tài)、路徑、動(dòng)作時(shí)間，末端執(zhí)行器施加的力和力矩等如何進(jìn)行控制。（1）示教再現(xiàn)功能o示教再現(xiàn)功能是指示教人員預(yù)先將機(jī)器人作業(yè)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)預(yù)先教給機(jī)器人，在示教的過程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)的記憶裝置就將所教的操作過程自動(dòng)地記錄在存儲(chǔ)器中。o當(dāng)需要機(jī)器人工作時(shí)，機(jī)器人的控制系統(tǒng)就調(diào)用存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使機(jī)器人再現(xiàn)示教過的操作過程，由此機(jī)器人即可完成要求的作業(yè)任務(wù)。o機(jī)器人的示教再現(xiàn)功能易于實(shí)現(xiàn)，編程

11、方便，在機(jī)器人的初期得到了較多的應(yīng)用。 （2）運(yùn)動(dòng)控制功能o運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過對(duì)機(jī)器人手部在空間的位姿、速度、加速度等項(xiàng)的控制，使機(jī)器人的手部按照作業(yè)的要求進(jìn)行動(dòng)作，最終完成給定的作業(yè)任務(wù)。o它與示教再現(xiàn)功能的區(qū)別：o在示教再現(xiàn)控制中，機(jī)器人手部的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由示教人員教給它的，其精度取決于示教人員的熟練程度。o而在運(yùn)動(dòng)控制中，機(jī)器人手部的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是由機(jī)器人的控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算得來(lái)的，且在工作人員不能示教的情況下，通過編程指令仍然可以控制機(jī)器人完成給定的作業(yè)任務(wù)。3. 3. 機(jī)器人的控制功能機(jī)器人的控制功能Compiled by: Dong Chunlio構(gòu)成機(jī)器人的全控制系統(tǒng)的基本要素

12、包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器、控制器硬件和控制系統(tǒng)軟件。（1） 驅(qū)動(dòng)裝置o作為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，常見的有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。o隨著驅(qū)動(dòng)電路元件的性能提高，當(dāng)前應(yīng)用最多的是直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。o由于直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)的流經(jīng)電流較大，一般為幾安培到幾十安培，機(jī)器人電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要使用大功率的驅(qū)動(dòng)電路，o為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的控制，機(jī)器人常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。（2）傳動(dòng)裝置o傳動(dòng)裝置是為了增加驅(qū)動(dòng)力矩、降低運(yùn)動(dòng)速度。二、機(jī)器人控制的基本單元二、機(jī)器人控制的基本單元Com

13、piled by: Dong Chunli（3） 運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)傳感器o機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度等參數(shù)。機(jī)器人常用的傳感器將在本書的第六章進(jìn)行了詳細(xì)的討論。（4） 控制器的硬件o機(jī)器人的控制器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的，機(jī)器人控制器的硬件系統(tǒng)采用的是二級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為協(xié)調(diào)級(jí)，第二級(jí)為執(zhí)行級(jí)。o協(xié)調(diào)級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和外界環(huán)境的信息交換等功能，o執(zhí)行級(jí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服控制，獲得機(jī)器人內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)等功能。（5） 控制系統(tǒng)的軟件o機(jī)器人的控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算、機(jī)器人的智能控制和機(jī)器人與人的信息交換等功能。二、機(jī)器人控制的

14、基本單元二、機(jī)器人控制的基本單元Compiled by: Dong Chunli一、自動(dòng)控制系統(tǒng)二、PID控制三、伺服控制系統(tǒng)四、伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 伺服控制系統(tǒng)及其參數(shù)伺服控制系統(tǒng)及其參數(shù)Compiled by: Dong Chunli1.開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 1）開環(huán)控制系統(tǒng) 2）閉環(huán)控制系統(tǒng)2.模擬和數(shù)字控制系統(tǒng) 1）模擬控制系統(tǒng) 2）數(shù)字控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制系統(tǒng)Compiled by: Dong Chunlio開環(huán)控制系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng)，是由手動(dòng)控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。o如果系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系如果系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系

15、統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱開統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱開環(huán)系統(tǒng)。環(huán)系統(tǒng)。 o開環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的輸入量Vi由手動(dòng)調(diào)節(jié)也可以由上一級(jí)控制裝置給出，系統(tǒng)的輸出量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。1 1）開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)Compiled by: Dong Chunlio控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入端并控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋。與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋。o由信號(hào)正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的由信號(hào)正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為稱為閉環(huán)控制系

16、統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱又稱反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 2 2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng)Compiled by: Dong Chunlio對(duì)于反饋控制系統(tǒng)，按照給定信號(hào)的不同，控制系統(tǒng)可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。 o恒值控制系統(tǒng)：給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等自動(dòng)控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。 o隨動(dòng)控制系統(tǒng)：給定值按未知時(shí)間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)。 o程序控制系統(tǒng)：給定值按一定時(shí)間函數(shù)變化。如程控機(jī)床。2 2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng)Compiled by:

17、Dong Chunli2. 2. 模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)o凡表示數(shù)據(jù)的信號(hào)在時(shí)間上和幅度上是連續(xù)變化的則為模擬信號(hào)。凡表示數(shù)據(jù)的信號(hào)在時(shí)間上和幅度上是連續(xù)變化的則為模擬信號(hào)。o凡表示數(shù)據(jù)的信號(hào)在時(shí)間上和幅度上是離散變化的則為數(shù)字信號(hào)。凡表示數(shù)據(jù)的信號(hào)在時(shí)間上和幅度上是離散變化的則為數(shù)字信號(hào)。o模擬控制是指在控制系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)的是模擬信號(hào)。模擬控制是指在控制系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)的是模擬信號(hào)。o數(shù)字控制是指在控制系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)的是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字控制是指在控制系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)的是數(shù)字信號(hào)。Compiled by: Dong Chunli2. 2. 模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)（

18、1）模擬控制系統(tǒng)o模擬控制是指控制系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)信號(hào)。o與模擬控制相對(duì)應(yīng)的是數(shù)字控制，在這種系統(tǒng)中，除某些環(huán)節(jié)傳遞的仍是連續(xù)信號(hào)外，另一些環(huán)節(jié)傳遞的信號(hào)則是時(shí)間的斷續(xù)信號(hào)，即離散的脈沖序列或數(shù)字編碼。這類系統(tǒng)又稱為采樣系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。o模擬控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制系統(tǒng)，o但當(dāng)被控對(duì)象具有明顯滯后特性時(shí)，這種控制就不適用，因?yàn)樗菀滓鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定，又難以選擇時(shí)間常數(shù)很大的校正裝置來(lái)解決系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題。Compiled by: Dong Chunli2. 2. 模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)（2）數(shù)字控制系統(tǒng)o采用數(shù)字控制，效果將會(huì)好得多。o采樣開關(guān)周期性地接通和斷開

19、。S接通時(shí)系統(tǒng)放大系數(shù)可以很大，進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制；S斷開時(shí)等待被控對(duì)象自身去運(yùn)行，直到下一次接通采樣開關(guān)時(shí)，才檢測(cè)誤差，并根據(jù)它來(lái)繼續(xù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。Compiled by: Dong Chunli二、模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)二、模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)o采樣開關(guān)將連續(xù)信號(hào)離散化后，便于用計(jì)算機(jī)控制oA/D為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有采樣開關(guān)可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)；oD/A為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)信息并進(jìn)行信息處理，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期性能。o機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)均采用計(jì)算機(jī)控制方式。Compiled by: Dong Chunli一、交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理一、交

20、流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 1電機(jī)機(jī)械特性電機(jī)機(jī)械特性 2穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度 3調(diào)速范圍調(diào)速范圍二、二、交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 1直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 2交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 3變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速方法第三節(jié)第三節(jié) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速Compiled by: Dong Chunli一般的伺服控制系統(tǒng)包括伺服執(zhí)行元件（伺服電動(dòng)機(jī)）、伺服運(yùn)動(dòng)控制器、功率放大器（又稱伺服驅(qū)動(dòng)器）、位置檢測(cè)元件等。伺服運(yùn)動(dòng)控制器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，包括力、位置、速度等的控制。某些機(jī)器人系統(tǒng)把各個(gè)軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制器和功率放大器集成

21、組裝在控制柜內(nèi)，如MOTOMAN機(jī)器人，這樣實(shí)際上相當(dāng)于由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)控制。第四節(jié)第四節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Compiled by: Dong Chunli一、機(jī)器人控制系統(tǒng)基本組成二、機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)三、機(jī)器人控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)第四節(jié)第四節(jié) 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、機(jī)器人控制系統(tǒng)基本組成1.機(jī)器人控制系統(tǒng)基本功能2.機(jī)器人控制系統(tǒng)基本組成Compiled by: Dong Chunli1.機(jī)器人控制系統(tǒng)基本功能o機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下： o記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式

22、、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。 o示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。 o與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。 o坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。 o人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。 o傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。 o位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?o故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。 Compiled by: Dong Chunli2.機(jī)器人控制系統(tǒng)基本組成1）控制計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一

23、般為微型機(jī)、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。 2）示教盒：示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。 3）操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。 4）內(nèi)置硬盤和可移去存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器。 5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。 6）打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。 7）傳感器接口：用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。 8）伺服控制器：完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。

24、9）輔助設(shè)備控制：用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。 10）通信接口：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等11）網(wǎng)絡(luò)接口：與其他機(jī)器人以及上位管理計(jì)算機(jī)連接的Ethernet接口：Compiled by: Dong Chunli2.機(jī)器人控制系統(tǒng)基本組成11）網(wǎng)絡(luò)接口：與其他機(jī)器人以及上位管理計(jì)算機(jī)連接的Ethernet接口：o可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)機(jī)器人控制器中。o與其他設(shè)備連接的多種現(xiàn)場(chǎng)總線接口，如Device net、Profibus-DP、 CAN

25、、 Remote I/O、Interbus-s、M-NET等。Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)o1基于基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)控制o2基于基于PC和運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制o3單純的單純的PC控制控制Compiled by: Dong Chunli二、機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)o從基本結(jié)構(gòu)上看一個(gè)典型的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由上位計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成。o一般地，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)成方案有三種，基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制、基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制、純PC機(jī)控制。Compiled by:

26、Dong Chunli1基于基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)控制oPLC進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制有兩種。1）利用PLC的某些輸出端口使用脈沖輸出指令來(lái)產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)使用通用I/O或者計(jì)數(shù)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)位置控制；2）使用PLC外部擴(kuò)展的位置模塊來(lái)進(jìn)行電機(jī)的閉環(huán)位置控制。Compiled by: Dong Chunli2基于基于PC和運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制o 運(yùn)動(dòng)控制器以運(yùn)動(dòng)控制卡為主，工控PC機(jī)只提供插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)指令。運(yùn)動(dòng)控制卡完成速度控制和位置控制。Compiled by: Dong Chunli3單純的單純的PC控制控制o在高性能工業(yè)PC和嵌入式PC（配備專為工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)

27、的主板）的硬件平臺(tái)上，可通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)PLC和運(yùn)動(dòng)控制等功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人需要的邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制。 o在通過高速的工業(yè)總線進(jìn)行PC與驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)通訊，顯著的提高機(jī)器人的生產(chǎn)效率和靈活性。不過，在提供靈活的應(yīng)用平臺(tái)的同時(shí)，也大大提高了開發(fā)難度和延長(zhǎng)了開發(fā)周期。由于其結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性這種結(jié)構(gòu)代表了未來(lái)機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli5.4.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)o1機(jī)器人控制系統(tǒng)工作過程機(jī)器人控制系統(tǒng)工作過程o2機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成Compiled by:

28、 Dong Chunli5.4.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)o在機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)上，有三種形式：集中控制方式、主從控制方式、分散控制方式。o目前用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能的集中控制方式因其實(shí)時(shí)性差、難以擴(kuò)展已經(jīng)遭淘汰?，F(xiàn)在大部分工業(yè)機(jī)器人都采用主從控制方式，智能機(jī)器人或傳感機(jī)器人都采用分散控制方式。o由于機(jī)器人的控制過程中涉及大量的坐標(biāo)變換和插補(bǔ)運(yùn)算以及較低層的實(shí)時(shí)控制，所以，目前的機(jī)器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大多數(shù)采用分層結(jié)構(gòu)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級(jí)計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)。1機(jī)器人控制系統(tǒng)工作過程機(jī)器人控制系統(tǒng)工作過程o機(jī)器人控制系統(tǒng)具體的工作過程是

29、：o主控計(jì)算機(jī)接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和插補(bǔ)運(yùn)算，最后得出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。o這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級(jí)作為各個(gè)關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號(hào)。o關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器將此信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并通過傳感器將各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)輸出信號(hào)反饋回伺服控制級(jí)計(jì)算機(jī)形成局部閉環(huán)控制，從而更加精確的控制機(jī)器人手部按作業(yè)任務(wù)要求的在空間的運(yùn)動(dòng)。o在控制過程中，工作人員可直接監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可從顯示器等輸出裝置上得到有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的信息。 o此時(shí)，作為控制器部分的n上位機(jī)中的PC機(jī)或小型機(jī)完成人機(jī)對(duì)話、數(shù)學(xué)運(yùn)算、通信

30、和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，n下位機(jī)中的單片機(jī)或運(yùn)動(dòng)控制器，完成伺服控制。作為傳感器部分的內(nèi)部傳感器完成自身關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)；外部傳感器完成外部環(huán)境參數(shù)變化的檢測(cè)。Compiled by: Dong Chunli2機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成在機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)在大部分工業(yè)機(jī)器人都采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。（1）一級(jí)控制o一級(jí)控制的上位機(jī)一般由個(gè)人微機(jī)或小型計(jì)算機(jī)組成，其功能為：o人機(jī)對(duì)話：人將作業(yè)任務(wù)給機(jī)器人，同時(shí)機(jī)器人將結(jié)果反饋回來(lái)，即人與機(jī)器人之間的交流。o數(shù)學(xué)運(yùn)算：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和數(shù)學(xué)插補(bǔ)運(yùn)算。o通信功能：與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和相互交換。o數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：存儲(chǔ)編制好的作

31、業(yè)任務(wù)程序和中間數(shù)據(jù)。（2）二級(jí)控制o二級(jí)控制的下位機(jī)一般由單片機(jī)或運(yùn)動(dòng)控制器組成，其功能為：o伺服驅(qū)動(dòng)控制：接收上位機(jī)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)信號(hào)和傳感器的反饋信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行比較，然后經(jīng)過誤差放大和各種補(bǔ)償，最終輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的控制信號(hào)。Compiled by: Dong Chunli2機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成（2）二級(jí)控制o二級(jí)控制的下位機(jī)一般由單片機(jī)或運(yùn)動(dòng)控制器組成，其功能為：o伺服驅(qū)動(dòng)控制：接收上位機(jī)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)信號(hào)和傳感器的反饋信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行比較，然后經(jīng)過誤差放大和各種補(bǔ)償，最終輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的控制信號(hào)。Compiled by: Dong Chunli2機(jī)器人

32、控制系統(tǒng)的硬件組成機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件組成o（3）伺服系統(tǒng)o伺服系統(tǒng)的核心是運(yùn)動(dòng)控制器，一般由數(shù)字信號(hào)處理器及其外圍部件組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算，同步控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等。 o（4）內(nèi)部傳感器o內(nèi)部傳感器的主要目的是對(duì)自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，即檢測(cè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為機(jī)器人的控制提供反饋信號(hào)。機(jī)器人使用的內(nèi)部傳感器主要包括位置、位移、速度和加速度等傳感器。o（5）外部傳感器o機(jī)器人要能在變化的作業(yè)環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)，就必須具備類似于人類對(duì)環(huán)境的感覺功能。將機(jī)器人用于對(duì)工作環(huán)境變化的檢測(cè)的傳感器稱為外部傳感器，有時(shí)也擬

33、人的稱為環(huán)境感覺傳感器或環(huán)境感覺器官。目前，機(jī)器人常用的環(huán)境感覺技術(shù)主要有視覺、聽覺、觸覺、力覺等。Compiled by: Dong Chunli3機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件組成機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件組成o （1）系統(tǒng)軟件o 包括用于個(gè)人微機(jī)和小型計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，用于單片機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)初始化程序。o （2）應(yīng)用軟件o 包括用于完成實(shí)施動(dòng)作解釋的執(zhí)行程序，用于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和插補(bǔ)程序的運(yùn)算軟件，用于作業(yè)任務(wù)程序、編制環(huán)境程序的編程軟件，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視、故障報(bào)警等程序的監(jiān)控軟件。Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong ChunliCompiled

34、by: Dong ChunliCompiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli一、直流電機(jī)的工作原理一、直流電機(jī)的工作原理Compiled by: Dong Chunli1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)1電樞繞組；2電樞鐵心；3機(jī)座；4主磁極鐵心；5勵(lì)磁繞組；6換向極繞組；7換向極鐵心；8主磁極極靴；9機(jī)座底腳；直流電機(jī)橫剖面示意圖直流電機(jī)橫剖面示意圖 二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值Compiled by: Dong Chunli2直流電機(jī)的額定值（1）額定功率：是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。（2）額定電壓：安全工作的最

35、大外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。（3）額定電流：允許流過的最大電流，單位為A(安)。（4）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為rpm(轉(zhuǎn)/分)。二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值二、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值Compiled by: Dong Chunlio伺服電機(jī)（伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中）是指在伺服系統(tǒng)中控制控制機(jī)械元件機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。變速裝置。o伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將以將電壓

36、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。o在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。o分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。的增加而勻速下降。三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunlio伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)(servomechanism)是使物體是

37、使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。o它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝驅(qū)動(dòng)裝置置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。方便。三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunlio伺服主要靠伺服主要靠脈沖脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到伺服電機(jī)

38、接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移角度，從而實(shí)現(xiàn)位移o因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)者叫閉環(huán)o如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的確的控制電機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的

39、定位，可以的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到達(dá)到0.001mm。 三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli機(jī)器人對(duì)直流伺服電機(jī)的基本要求：o寬廣的調(diào)速范圍o機(jī)械特性和調(diào)速特性均為線性o無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象（控制電壓降到零時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)）o快速響應(yīng)好三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli直流伺服電機(jī)兩種類型：o傳統(tǒng)型和低慣量型傳統(tǒng)型和低慣量型。n 傳統(tǒng)型就是微型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子組成n 按定子磁極的種類分為兩種，永磁式和電磁式永磁式和電磁式。o永磁式的磁極是永久磁鐵；o電磁式的磁極是電磁鐵，磁極外面

40、套著勵(lì)磁繞組。n 低慣量特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子輕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小快速響應(yīng)好。n 按照電樞型式的不同分為三種，o盤形電樞直流伺服電機(jī)、o空心杯電樞永磁式直流伺服電機(jī)o無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)。三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli1一定子；2一轉(zhuǎn)子圖圖53 盤型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)盤型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)（1）引線，（1）前蓋，（3）電刷，（4）盤型電樞，（5）磁鋼，（6）后蓋，（6）軸Compiled by: Dong Chunli1一轉(zhuǎn)子(導(dǎo)線繞6空心杯1)；2一內(nèi)定子；3一外定子；4一磁極；5一氣隙；6導(dǎo)線；7一內(nèi)定子中的磁路圖圖54 杯型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)杯

41、型直流電機(jī)結(jié)構(gòu)三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī) （1）換向器，（2）電刷，（3）電樞，（4）外定子，（5）內(nèi)定子 Compiled by: Dong Chunli三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)o 無(wú)槽直流伺服電機(jī)n 無(wú)槽直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心上不開元件槽，n 電樞繞組元件直接放在鐵心的外表面，n 然后用環(huán)氧樹脂澆注成型。Compiled by: Dong Chunlio直流伺服電機(jī)最常用的控制方式是電樞控制。n電樞控制就是把電樞繞組作為控制繞組，n電樞電壓作為控制電壓，而勵(lì)磁電壓恒定不變。n通過改變控制電壓來(lái)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。o在電樞控制方式下，n直流伺服電機(jī)的主要靜態(tài)特性是機(jī)械

42、特性和調(diào)節(jié)特性。三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli1機(jī)械特性直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性公式， TCCRnCCRCUnTeTeTa2020neCTC電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；R電樞電阻；直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)結(jié)構(gòu)常數(shù)；轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)常數(shù)；磁通；T轉(zhuǎn)矩。三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli當(dāng) 一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)矩T的增加，轉(zhuǎn)速n成正比下降。隨著控制電壓 的降低，機(jī)械特性平行地向低速度、小轉(zhuǎn)矩方向平移，其斜率保持不變。(a) 機(jī)械特性aUaU三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli2調(diào)節(jié)特性當(dāng)T一定

43、時(shí)，控制電壓高則轉(zhuǎn)速也高，轉(zhuǎn)速的增加于控制電壓的增加成正比，這是理想的調(diào)節(jié)特性。 （b）調(diào)節(jié)特性 1TT 1U時(shí)，始動(dòng)電壓為 一般把調(diào)節(jié)特性曲線上橫坐標(biāo)從零到始動(dòng)電壓這一范圍稱為失靈區(qū)。在失靈區(qū)以內(nèi)，即使電樞有外加電壓，電機(jī)也不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 三、直流伺服電機(jī)三、直流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli直流電機(jī)本身存在不足n機(jī)械接觸式換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜；n在運(yùn)行中容易產(chǎn)生火花；n換向器的機(jī)械強(qiáng)度不高；n電刷易于磨損；n不適于有粉塵、腐蝕性氣體和易燃易爆氣體的場(chǎng)合；n對(duì)于一些大功率的輸出要求不能滿足要求。 四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli

44、交流伺服電機(jī)o 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格低廉，o 而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠，o 很少需要維護(hù)，可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，o 機(jī)器人領(lǐng)域逐漸有代替直流伺服電機(jī)趨勢(shì)。四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)o 交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，n即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。o 定子鐵心中安放著空間互成90度電角度的兩相繞組n一組為激磁繞組，n一組為控制繞組。 o 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，n激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，n控制繞組兩端施加控制電壓Uc。o 當(dāng)定子繞組加上電壓后，n伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 Compiled

45、 by: Dong Chunli四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)o 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流n在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，n旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，o 當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，n旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，n電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 Compiled by: Dong Chunli四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)o 為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，n要求激磁電壓Uj和控制電壓Uc之間n應(yīng)有90度的相位差，o 常用的方法有： 1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相 2）利用三相電源的任意線電壓采用移相網(wǎng)絡(luò) 3）在激磁相中串聯(lián)電容器 Compiled by: Dong

46、Chunli1. 交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)o交流伺服電機(jī)為兩相異步電動(dòng)機(jī)，n一相為勵(lì)磁繞組，n一相為控制繞組，n轉(zhuǎn)子為鼠籠型。 四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli1. 交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)o 交流伺服電機(jī)也必須具有n寬廣的調(diào)速范圍、n線性的機(jī)械特性和n快速響應(yīng)等性能，o 除此以外，還應(yīng)無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。n 當(dāng)控制電壓 =0時(shí)，電機(jī)應(yīng)當(dāng)停止旋轉(zhuǎn)，而實(shí)際情況是，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻較小時(shí)，兩相異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)后，n 若 =0，電動(dòng)機(jī)便成為單項(xiàng)異步電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，并不停轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了所謂的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，使自動(dòng)控制系統(tǒng)失控。 cUcU四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled

47、 by: Dong Chunli2. 交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子有三種結(jié)構(gòu)型式：o交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，o但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有n 較寬的調(diào)速范圍、n 線性的機(jī)械特性，n 無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和n 快速響應(yīng)的性能，o它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有兩個(gè)特點(diǎn)n 轉(zhuǎn)子電阻大和n 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。 四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli（1）高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子n采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，n為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)； 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的SL系列的交流伺服電機(jī)就是采用這種結(jié)構(gòu)。 四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled by: D

48、ong Chunli（2）非磁性空心杯轉(zhuǎn)子o在外定子鐵心槽中放置空間相距90的兩相分布繞組；o內(nèi)定子鐵心由硅鋼片疊成，不放繞組，僅作為磁路的一部分；o由鋁合金制成的空心杯轉(zhuǎn)子置于內(nèi)外定子鐵心之間的氣隙中，并靠其底盤和轉(zhuǎn)軸固定。o采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，o為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子.o空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，四、交流伺服電機(jī)四、交流伺服電機(jī)Compiled by: Dong Chunli（3）鐵磁性空心轉(zhuǎn)子o轉(zhuǎn)子采用鐵磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身既是主磁通的磁路，又作為轉(zhuǎn)子繞組，o結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但當(dāng)定子、轉(zhuǎn)子氣隙稍微不均勻時(shí)，轉(zhuǎn)子就容易