工業(yè)機(jī)器人技術(shù)第5章課件(PPT 130頁)

1、第5章 工業(yè)機(jī)器人控制 5.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 5.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能 5.3 工業(yè)機(jī)器人的控制方式 5.4 電動(dòng)機(jī)的控制 5.5 機(jī)械系統(tǒng)的控制 習(xí)題 第1頁，共130頁。5.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間開鏈機(jī)構(gòu), 其各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的, 為了實(shí)現(xiàn)末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡, 需要多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。 因此, 其控制系統(tǒng)與普通的控制系統(tǒng)相比要復(fù)雜得多,具體如下: (1) 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)。 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)常要求正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解, 除此

2、之外還要考慮慣性力、 外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影響。 第2頁，共130頁。(2) 一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人至少要有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, 組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。 (3) 把多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來, 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)。 第3頁，共130頁。(4) 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)的不同和外力的變化, 其參數(shù)也在變化,

3、 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) 機(jī)器人的動(dòng)作往往可以通過不同的方式和路徑來完成, 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, 借助信息庫進(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, 按照給定的指標(biāo)要求, 自動(dòng)地選擇最佳的控制規(guī)律。 第4頁，共130頁。5.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能 1. 示教再現(xiàn)功能2. 運(yùn)動(dòng)控制功能 第5頁，共130頁。5.2.1 示教再現(xiàn)控制1. 示教及記憶方式1

4、) 示教的方式示教的方式總的可分為集中示教方式和分離示教方式。 集中示教方式就是指同時(shí)對(duì)位置、速度、操作順序等進(jìn)行的示教方式。 分離示教方式是指在示教位置之后, 再一邊動(dòng)作, 一邊分別示教位置、 速度、 操作順序等的示教方式。 當(dāng)對(duì)PTP(點(diǎn)位控制方式)控制的工業(yè)機(jī)器人示教時(shí), 可以分步編制程序,且能進(jìn)行編輯、修改等工作。但是在作曲線運(yùn)動(dòng)而且位置精度要求較高時(shí),示教點(diǎn)數(shù)一多,示教時(shí)間就會(huì)拉長(zhǎng), 且在每一個(gè)示教點(diǎn)都要停止和啟動(dòng), 因而很難進(jìn)行速度的控制。第6頁，共130頁。對(duì)需要控制連續(xù)軌跡的噴漆、電弧焊等工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行連續(xù)軌跡控制的示教時(shí), 示教操作一旦開始, 就不能中途停止, 必須不中斷地進(jìn)

5、行到完, 且在示教途中很難進(jìn)行局部修正。 示教方式中經(jīng)常會(huì)遇到一些數(shù)據(jù)的編輯問題, 其編輯機(jī)能有如圖5.1所示的幾種方法。 在圖中, 要連接A與B兩點(diǎn)時(shí), 可以這樣來做: (a) 直接連接; (b) 先在A與B之間指定一點(diǎn)x, 然后用圓弧連接; (c) 用指定半徑的圓弧連接; (d) 用平行移動(dòng)的方式連接。在CP(連續(xù)軌跡控制方式)控制的示教中, 由于CP控制的示教是多軸同時(shí)動(dòng)作, 因此與PTP控制不同,它幾乎必須在點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線上移動(dòng), 故有如圖5.2所示的兩種方法。 第7頁，共130頁。圖 5.1 示教數(shù)據(jù)的編輯機(jī)能 第8頁，共130頁。圖 5.2CP控制示教舉例 第9頁，共130頁。2

6、) 記憶的方式工業(yè)機(jī)器人的記憶方式隨著示教方式的不同而不同。又由于記憶內(nèi)容的不同, 故其所用的記憶裝置也不完全相同。通常, 工業(yè)機(jī)器人操作過程的復(fù)雜程序取決于記憶裝置的容量。容量越大, 其記憶的點(diǎn)數(shù)就越多, 操作的動(dòng)作就越多, 工作任務(wù)就越復(fù)雜。 最初工業(yè)機(jī)器人使用的記憶裝置大部分是磁鼓, 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 慢慢地出現(xiàn)了磁線、磁芯等記憶裝置?，F(xiàn)在, 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶來了半導(dǎo)體記憶裝置的出現(xiàn), 尤其是集成化程度高、容量大、高度可靠的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)等半導(dǎo)體的出現(xiàn), 使工業(yè)機(jī)器人的記憶容量大大增加, 特別適合于復(fù)雜程度高的操作過程的記憶, 并且其記憶容

7、量可達(dá)無限。 第10頁，共130頁。2. 示教編程方式1) 手把手示教編程手把手示教編程方式主要用于噴漆、弧焊等要求實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機(jī)器人示教編程中。具體的方法是人工利用示教手柄引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的位置,同時(shí)由傳感器檢測(cè)出工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)值,并由控制系統(tǒng)記錄、存儲(chǔ)下這些數(shù)據(jù)信息。實(shí)際工作當(dāng)中, 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教過的軌跡和操作技能。 手把手示教編程也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制,與CP控制不同的是, 它只記錄各軌跡程序移動(dòng)的兩端點(diǎn)位置, 軌跡的運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。 第11頁，共130頁。2) 示教盒示教編程示教盒示教編程方式是人工利用示教盒上所具有的

8、各種功能的按鈕來驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)軸, 按作業(yè)所需要的順序單軸運(yùn)動(dòng)或多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng), 從而完成位置和功能的示教編程。示教盒通常是一個(gè)帶有微處理器的、可隨意移動(dòng)的小鍵盤, 內(nèi)部ROM中固化有鍵盤掃描和分析程序。其功能鍵一般具有回零、示教方式、自動(dòng)方式和參數(shù)方式等。 示教編程控制由于其編程方便、裝置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)機(jī)器人的初期得到較多的應(yīng)用。同時(shí), 又由于其編程精度不高、 程序修改困難、示教人員要熟練等缺點(diǎn)的限制,促使人們又開發(fā)了許多新的控制方式和裝置, 以使工業(yè)機(jī)器人能更好更快地完成作業(yè)任務(wù)。 第12頁，共130頁。5.2.2 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是指工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)

9、行器從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過程中, 對(duì)其位置、速度和加速度的控制。 由于工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位置和姿態(tài)是由各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)引起的,因此,對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制實(shí)際上是通過控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制一般可分為兩步進(jìn)行。第一步是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服指令的生成, 即指將末端執(zhí)行器在工作空間的位置和姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為由關(guān)節(jié)變量表示的時(shí)間序列或表示為關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間變化的函數(shù)。這一步一般可離線完成。第二步是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的伺服控制,即跟蹤執(zhí)行第一步所生成的關(guān)節(jié)變量伺服指令。 這一步是在線完成的。 第13頁，共130頁。5.3 工業(yè)機(jī)器人的控制方式 5.3.1 點(diǎn)位控制方式(PTP)這種控制方式的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人

10、末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、 準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng),而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡則不作任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)、定位精度要求不高的特點(diǎn), 因而常被應(yīng)用在上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求目標(biāo)點(diǎn)處保持末端執(zhí)行器位姿準(zhǔn)確的作業(yè)中。一般來說, 這種方式比較簡(jiǎn)單, 但是, 要達(dá)到23m的定位精度是相當(dāng)困難的。 第14頁，共130頁。5.3.2 連續(xù)軌跡控制方式(CP)這種控制方式的特點(diǎn)是連續(xù)地控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿, 要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精

11、度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng), 而且速度可控, 軌跡光滑， 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn), 以完成作業(yè)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng), 其末端執(zhí)行器即可形成連續(xù)的軌跡。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。通?；『?、噴漆、去毛邊和檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人都采用這種控制方式。 第15頁，共130頁。圖 5.3 點(diǎn)位控制與連續(xù)軌跡控制(a) 點(diǎn)位控制； (b) 連續(xù)軌跡控制 第16頁，共130頁。5.3.3 力(力矩)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。 這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本

12、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), 因此系統(tǒng)中必須有力(力矩)傳感器。 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。 第17頁，共130頁。5.3.4 智能控制方式機(jī)器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí), 并根據(jù)自身內(nèi)部的知識(shí)庫作出相應(yīng)的決策。 采用智能控制技術(shù), 使機(jī)器人具有了較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。 第18頁，共130頁。5.4 電動(dòng)機(jī)的控制 5.4.1 電動(dòng)機(jī)的控制1. 機(jī)器人中電動(dòng)機(jī)的控制特征電動(dòng)機(jī)的種類各種各樣, 根據(jù)各自的特點(diǎn), 工業(yè)界早就在

13、家電、玩具、辦公儀器設(shè)備、測(cè)量?jī)x器甚至電氣鐵路這樣一些廣泛的領(lǐng)域內(nèi)制定了各種不同的使用方法。在這些應(yīng)用中, 機(jī)器人中的電動(dòng)機(jī)有其自身的特點(diǎn)。 第19頁，共130頁。表5.1列出了機(jī)床和機(jī)器人電動(dòng)機(jī)在用途上的對(duì)比情況。 用于生產(chǎn)線上的機(jī)器人,主要承擔(dān)著零件供應(yīng)、裝配和搬運(yùn)等工作, 其控制目的是位置控制。因?yàn)闄C(jī)器人的動(dòng)作基本上是腕部的運(yùn)動(dòng), 所以對(duì)電動(dòng)機(jī)來說,主要是慣性負(fù)載, 并且還存在有重力負(fù)載。有負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí), 電動(dòng)機(jī)的速度最慢;無負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí), 電動(dòng)機(jī)的速度最快。它們的比值大體上是110, 有時(shí)可以達(dá)到1100。 此外, 從電動(dòng)機(jī)的輸出功率考慮, 多數(shù)為十瓦(W)到數(shù)千瓦(kW)的電動(dòng)機(jī)。本節(jié)只

14、考慮小型電動(dòng)機(jī)的分類。 第20頁，共130頁。表5.1 機(jī)床和機(jī)器人控制電動(dòng)機(jī)的特征對(duì)比 第21頁，共130頁。2. 電動(dòng)機(jī)的選用電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸出形式分,可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型(如果根據(jù)采用的電源分類, 則如表5.2所列)。當(dāng)考慮電動(dòng)機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用時(shí), 應(yīng)主要關(guān)注電動(dòng)機(jī)的如下基本性能: (1) 能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、連續(xù)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行, 且具有良好的響應(yīng)特性。 (2) 正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同, 且運(yùn)行特性穩(wěn)定。 (3) 維修容易, 而且不用保養(yǎng)。 (4) 具有良好的抗干擾能力, 且相對(duì)于輸出來說, 體積小, 重量輕。 第22頁，共130頁。3. 機(jī)器人電動(dòng)機(jī)的變換器對(duì)于直流電動(dòng)機(jī), 變換器首先將其

15、電壓和電流控制到希望的數(shù)值; 對(duì)于交流電動(dòng)機(jī), 電力變換器首先將其電壓、 電流和頻率控制到希望的數(shù)值, 然后對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制, 進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)的位置進(jìn)行控制。 圖5.4所示為電動(dòng)機(jī)的種類。 第23頁，共130頁。圖 5.4 電動(dòng)機(jī)的種類 第24頁，共130頁。表5.2概括了在電動(dòng)機(jī)控制中采用的電力變換器的分類和主要用途。除了電車和蓄電池叉動(dòng)起重車等一些特殊應(yīng)用外, 一般來說,不用電池和蓄電池作為直流電源, 而是采用對(duì)商用的交流電進(jìn)行整流后得到的直流電。 把交流電變換成直流電的過程, 稱為順變換, 這里采用的電力變換器, 稱為整流電路。 一般來說,由于交流方面的正弦波形畸變會(huì)引起電壓的變動(dòng)和

16、感應(yīng)干擾, 因此應(yīng)采取措施, 設(shè)法保持輸入電流波形的正弦波形狀。所以，它不同于通常的整流電路, 可稱之為PWM變換器。 第25頁，共130頁。表5.2 電動(dòng)機(jī)控制中的電力變換器的分類及用途 第26頁，共130頁。4. 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖5.5表示了用前面講過的電動(dòng)機(jī)和電力變換器組合成的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成。正如前面講過的那樣, 通過電力變換器, 將商用電源的電壓、電流和頻率進(jìn)行交換, 然后對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。電動(dòng)機(jī)的輸出量P(W)雖然用電量表示, 但它是通過減速器和傳動(dòng)裝置(連接器、 齒輪、 傳送帶等)傳送至機(jī)械系統(tǒng)的。這里用速度l(rad/s)和力矩TL(Nm)表示機(jī)械動(dòng)力, 并用下式

17、表示它與電動(dòng)機(jī)輸出量P(W)的關(guān)系: P=lTL (5.1) 第27頁，共130頁。該式為電氣功率與機(jī)械功率的重要關(guān)系式, 并且是以SI表示的。但是,通常情況下, 轉(zhuǎn)速的單位用r/min, 力矩的單位用kgm, 當(dāng)采用這種單位時(shí), 式(5.1)就變成了 P=1.026lTL (5.2) 第28頁，共130頁。圖 5.5 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 第29頁，共130頁。5.4.2 電動(dòng)機(jī)速度的控制1. 直流電動(dòng)機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系直流電動(dòng)機(jī)依據(jù)圖5.4中表示的磁場(chǎng)與電樞連接方式的不同,有他激、并激、串激和復(fù)激電動(dòng)機(jī)等類型。在機(jī)器人中， 他激電動(dòng)機(jī)中采用永久磁鐵的電機(jī)用得較多，所以本節(jié)只對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行

18、說明?，F(xiàn)在我們根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,當(dāng)設(shè)電動(dòng)機(jī)的速度為m(rads), 電動(dòng)機(jī)電樞的電壓、電流、電阻分別為U(V)、I(A)、 R(), 電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為KE時(shí), 它們之間滿足下列關(guān)系: (5.3) 第30頁，共130頁。式中,Vb稱為電刷電壓降, 通常為23V, 多數(shù)情況下可以忽略不計(jì);但在外加電壓比較小的電動(dòng)機(jī)中, 則必須予以考慮。 另一方面, 對(duì)于轉(zhuǎn)矩Tm(Nm), 若設(shè)轉(zhuǎn)矩系數(shù)為KT(Nm/A)時(shí), 可求得轉(zhuǎn)矩為 Tm=KT(I-I0) 式中,I0為軸等零件上承受的摩擦轉(zhuǎn)矩的換算值, 多數(shù)情況下可以忽略不計(jì),但是當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出比較小時(shí), 就不能忽略不計(jì)。于是,從上述兩式中消去電樞電流后,電動(dòng)機(jī)的

19、速度與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可以用下式表示: (5.5) (5.4) 第31頁，共130頁。由式(5.5)可以看出, 電動(dòng)機(jī)的速度相對(duì)于轉(zhuǎn)矩成直線關(guān)系減小, 其減小的比例顯然由電樞的電阻、電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)決定。另外, 在表5.3中表示了三種直流電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目錄, 它們是一些具有代表性的產(chǎn)品。這里若以電動(dòng)機(jī)B為例, 首先應(yīng)注意式(5.3)中的單位, 再將額定值代入式(5.3), 于是可以確定電刷上的電壓降 66.5=7.41.03+0.01873000+UbUb=2.73(V) 第32頁，共130頁。此外, 將額定值代入式(5.4)時(shí), 即可求出軸上承受的摩擦轉(zhuǎn)矩的電流換算值。將這些值代入式(5.5

20、), 即可求出這個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與速度的關(guān)系, 其形式為 (5.6) 因此, 當(dāng)用這個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂, 并且希望產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為0.85Nm、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為2200r/min時(shí), 對(duì)這個(gè)電動(dòng)機(jī)應(yīng)該施加的電壓和電流, 可以依據(jù)下列方法予以確定: 第33頁，共130頁。首先, 將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速代入式(5.6), 并且注意式中的單位, 于是可以確定外加電壓為 電流可以根據(jù)式(5.4)計(jì)算得到, 其值為 第34頁，共130頁。表5.3 直流電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目錄舉例 第35頁，共130頁。一般來說,對(duì)于機(jī)器人,由于動(dòng)作和姿態(tài)的不同, 對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩的要求也不同,因此, 電動(dòng)機(jī)的外加電壓和電流也必須時(shí)刻作

21、相應(yīng)的變化。 另外, 直流電動(dòng)機(jī)存在著電刷與整流子的維護(hù)以及防止火花的問題。為了能保持電動(dòng)機(jī)原來的控制特性, 消除因電刷和整流子引發(fā)的問題,已經(jīng)開發(fā)出無刷直流電動(dòng)機(jī),并且正在進(jìn)入實(shí)用化階段。 第36頁，共130頁。圖 5.6 直流電動(dòng)機(jī)速度與轉(zhuǎn)矩特性第37頁，共130頁。2. 直流電動(dòng)機(jī)速度的控制前面我們用式(5.6)給出了表5.3中電動(dòng)機(jī)B的速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖5.6表示的是改變端電壓U時(shí), 得到的直流電動(dòng)機(jī)速度與轉(zhuǎn)矩特性。在圖5.6中, 速度和轉(zhuǎn)矩都用相對(duì)于額定值的百分率來表示。由這個(gè)圖可以明顯地看出,由于一方面要產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)矩,另一方面還要實(shí)現(xiàn)期望的速度, 因此必須對(duì)端電壓進(jìn)行調(diào)整。 第

22、38頁，共130頁。圖5.7是一個(gè)可用于可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的四象限短路器原理圖。在圖中的四個(gè)開關(guān)中,當(dāng)S1與S4接通時(shí),P、Q點(diǎn)的電位分別變成US、 0, 因此端子上的電壓為US。 當(dāng)S1與S3處于接通狀態(tài)時(shí), P、 Q點(diǎn)上的電位相同, 端子上的電壓為0。同樣地, 當(dāng)設(shè)S2處于接通狀態(tài)并接通S3時(shí),則P、Q點(diǎn)的電位分別變成0、VS, 因此端子上的電壓為-VS。S2和S4接通時(shí),端子上的電壓為0。因此,當(dāng)按照?qǐng)D(b)中那樣實(shí)施對(duì)開關(guān)的接通與斷開時(shí),端子上的電壓將會(huì)變成如圖中表示的那樣, 這是容易理解的。這里定義斜線位置上的兩個(gè)開關(guān)一同接通的時(shí)間T1, 與周期T的比為流通率d, 即 (5.7) 第39頁，共

23、130頁。圖5.7還表明,S1和S2決定端子上電壓的極性, S3和S4決定流通率。 電動(dòng)機(jī)平均端子電壓的大小由下式?jīng)Q定: U=dUS(5.8) 利用這個(gè)斷路器, 可以使電源與電動(dòng)機(jī)上電流的流動(dòng)是雙向的。另外, 作為一種電壓控制方法, 可以先接通S1和S4, 隨后接通S2和S3, 根據(jù)適當(dāng)?shù)牧魍? 重復(fù)地進(jìn)行上述接通操作。 第40頁，共130頁。圖 5.7 四象限斷路器電路及其操作波形 第41頁，共130頁。3. 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系不像直流電動(dòng)機(jī)那樣簡(jiǎn)單。 頻率為f(Hz)的三相交流電, 在級(jí)數(shù)為2p(極對(duì)數(shù)為p)的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中, 產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度

24、被稱為同步速度,它可以由下式求出: (5.9) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速m(rad/s)比同步速度低, 利用轉(zhuǎn)差率s, 可以寫 (5.10) 第42頁，共130頁。圖5.8是大家熟悉的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相部分的等效電路, 在采用轉(zhuǎn)差率s的情況下,轉(zhuǎn)子的輸入P2、轉(zhuǎn)子的功耗W2和輸出Pout的關(guān)系為 P2W2Pout=1s(1-s) (5.11) 這里, 若采用的電源角頻率為=2f, 則轉(zhuǎn)子的電流和力矩分別為 (5.12) (5.13) 第43頁，共130頁。圖 5.8 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相部分的等效電路 第44頁，共130頁。圖5-9三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相部分的等效電路第45頁，共130頁。4. 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度

25、的控制由前面的式(5.10)可知, 在改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度時(shí), 可以采用三種方法: 一種方法是通過電壓控制改變轉(zhuǎn)矩, 進(jìn)而達(dá)到改變轉(zhuǎn)差率的目的(電壓控制法); 第二種方法是改變極數(shù)(極數(shù)變換法); 第三種方法是改變頻率(頻率控制法)。 近年來由于變換器的普及,專門的頻率控制器得到了廣泛應(yīng)用。 在圖5.8中, 當(dāng)采用勵(lì)磁電壓E時(shí), 定子電流I1和轉(zhuǎn)矩Tm可利用下式求解: (5.14) (5.15) 第46頁，共130頁。圖 5.10 保持E/f一定進(jìn)行控制時(shí)的電流與轉(zhuǎn)矩特性 第47頁，共130頁。5.4.3 電動(dòng)機(jī)和機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性分析1. 電動(dòng)機(jī)和機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性的表示如果電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tm大于

26、負(fù)載的反作用轉(zhuǎn)矩TL, 則會(huì)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng); 反之,則會(huì)產(chǎn)生減速運(yùn)動(dòng); 如果兩者處于平衡狀態(tài), 則系統(tǒng)會(huì)以一定速度進(jìn)行穩(wěn)定的工作。現(xiàn)在如果設(shè)換算到電動(dòng)機(jī)軸上的全部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J, 黏性摩擦系數(shù)為D, 負(fù)載力矩為TLm,則這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可以由下式給出:(5.16) 第48頁，共130頁。圖 5.11 減速器第49頁，共130頁。多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都采用了如圖5.11所示的減速器。 若設(shè)圖中電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的速度為m和L, 并且設(shè)減速器的效率為100%時(shí), 則齒數(shù)比定義如下: (5.17) 這時(shí), 負(fù)載一側(cè)的運(yùn)動(dòng)方程式變成式(5.16)的形式, 且可以寫成 (5.18) 第50頁，共130頁。從電動(dòng)機(jī)

27、軸觀察到力矩為負(fù)載力矩的1/a,而負(fù)載一側(cè)的機(jī)械常數(shù)則變?yōu)樵瓉淼?1/a)2。因此,這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和黏性摩擦系數(shù)應(yīng)分別進(jìn)行相加, 并且必須對(duì)式(5.16)中的J、D進(jìn)行設(shè)置。此外, 在實(shí)際計(jì)算中, 多數(shù)情況下可以忽略黏性摩擦系數(shù)。 第51頁，共130頁。2. 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止圖5.12表示了電動(dòng)機(jī)的加減速狀態(tài)。直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流在加速過程中應(yīng)控制在一定的數(shù)值Icon。這時(shí),運(yùn)動(dòng)方程式可以根據(jù)式(5.4)和式(5.16)得到, 并且可以表示成 (5.20) 將上式從時(shí)間t1到時(shí)間t2進(jìn)行積分, 得到關(guān)系式 (5.21) 第52頁，共130頁。圖 5.12 電動(dòng)機(jī)的加減速 第53頁，

28、共130頁。這里考慮從0速度到額定速度r的啟動(dòng)時(shí)間TS,于是在式(5.21)中, 當(dāng)設(shè)1=0時(shí), 可以得到 (5.22) 當(dāng)希望機(jī)器人進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)而選定電動(dòng)機(jī)時(shí), 選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且轉(zhuǎn)矩系數(shù)大的電動(dòng)機(jī)比較好。 基于這種原因, 機(jī)器人用的電動(dòng)機(jī)大都選用細(xì)長(zhǎng)型構(gòu)造,而且選用稀土類磁鐵。此外, 在確定電動(dòng)機(jī)時(shí), 應(yīng)該根據(jù)式(5.22)在大范圍內(nèi)設(shè)定加減速時(shí)的電流, 其結(jié)果是增大了電力變換器的容量。 第54頁，共130頁。3. 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止式(5.15)是根據(jù)勵(lì)磁電壓計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩,如果在圖5.8中忽略因R1和l1造成的電壓降, 則端子上的電壓與勵(lì)磁電壓將會(huì)相等, 于是轉(zhuǎn)矩可以近似地表示為 (5

29、.23) 根據(jù)式(5.23), 可得到最大轉(zhuǎn)矩Tmax及與其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率角頻率 (5.24) 第55頁，共130頁。把式(5.24)的結(jié)果代進(jìn)式(5.23), 經(jīng)過整理可得到Tm的近似表達(dá)式: (5.25) 這里為了便于討論,我們來考慮感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的無負(fù)載加減速問題, 由式(5.16)和式(5.24)可以得到下列運(yùn)動(dòng)方程式: (5.26) 第56頁，共130頁。在圖5.12中,如果對(duì)時(shí)間t1的速度1(轉(zhuǎn)差率s1)到時(shí)間t2的速度2(轉(zhuǎn)差率s2)這一區(qū)間進(jìn)行積分, 則可以得到關(guān)系式 (5.27) 從速度0到額定速度r(額定轉(zhuǎn)差率sr)時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間Ts, 可以由下式求得: (5.28) 第57頁，共

30、130頁。5.4.4 正確控制動(dòng)態(tài)特性1. 力控制為了能對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,可在機(jī)械軸上安裝轉(zhuǎn)矩檢測(cè)器, 以構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)。但要得到性價(jià)比高、體積小、頻率特性好的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)器則比較困難。 另外,在直流他激電機(jī)、無刷電機(jī)和向量控制感應(yīng)電機(jī)中, 轉(zhuǎn)矩和電流之間存在比例關(guān)系。為了得到期望的轉(zhuǎn)矩, 需采用電流傳感器。 霍爾元件的電流傳感器因其價(jià)格低、體積小、 頻率特性好, 所以這種電流傳感器在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。 第58頁，共130頁。圖5.13是采用斷路器的直流他激電動(dòng)機(jī)的力控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖。設(shè)用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kr除轉(zhuǎn)矩指令T*,得到的結(jié)果為電流指令i*, 如果使實(shí)際的電動(dòng)機(jī)電流i與i*基本一致

31、, 那么電動(dòng)機(jī)就能夠產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩指令T*相同的轉(zhuǎn)矩。因此,如圖5.13所示, 可以把由電流傳感器檢測(cè)得到的實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流i與電流指令i*比較, 得到電流誤差:第59頁，共130頁。圖 5.13 力控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖 第60頁，共130頁。在這種方法中,根據(jù)圖5.14(a)中表示的三角波信號(hào)SW和i的大小關(guān)系, 生成斷路器的開關(guān)信號(hào)。三角波比較法的原理在圖5.14(b)中清楚地表示了出來。斷路器的開信號(hào)依據(jù)下列規(guī)律發(fā)生: (5.30) 因此, 在(1)的期間,如果i小于i*, 則i增加, 其結(jié)果是在(2)的期間斷路器信號(hào)的流通率增大,電動(dòng)機(jī)外加電壓上升,i增大。當(dāng)i過分增大時(shí),i減小,于是像(3

32、)期間那樣,流通率減小,電流i減小。為了提高i對(duì)i的跟蹤特性, 可增大三角波的頻率,根據(jù)斷路器開關(guān)元件的不同, 通常其頻率限制在數(shù)千赫到十幾千赫范圍內(nèi)。 第61頁，共130頁。圖 5.14 三角波比較法的原理 第62頁，共130頁。2. 速度控制在前面的式(5.16)中研究了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程, 這里當(dāng)我們忽略黏性摩擦系數(shù), 且相對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增加時(shí), 加速度變?yōu)檎? 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度上升。反之, 當(dāng)轉(zhuǎn)矩減小時(shí), 加速度變?yōu)樨?fù)值, 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度下降。 電動(dòng)機(jī)的速度控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖5.15所示, 是由轉(zhuǎn)矩控制來實(shí)現(xiàn)的, 速度控制環(huán)路配置在轉(zhuǎn)矩控制環(huán)路的外側(cè)。 第63頁，共13

33、0頁。圖 5.15 速度控制系統(tǒng) 第64頁，共130頁。采用以測(cè)速發(fā)電機(jī)和編碼器為代表的速度傳感器,可以檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。這個(gè)速度用來與速度指令*m進(jìn)行比較。 這里將產(chǎn)生的速度誤差m返回到速度控制部分, 并且通過轉(zhuǎn)矩指令T*的增減,力圖使速度指令與實(shí)際速度達(dá)到一致。 速度控制部分采用PI控制, 即比例積分控制: (5.31) 在式(5.31)中,用速度誤差m乘以增益Kp的結(jié)果,與速度誤差的積分值乘以增益K1的結(jié)果進(jìn)行相加,就給出了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩指令的一種方法。通過對(duì)Kp與K1的選定, 可以實(shí)現(xiàn)所希望的速度控制響應(yīng)。 第65頁，共130頁。3. 位置控制電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)通過同步傳送皮帶和滾珠絲杠傳

34、送至機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分, 轉(zhuǎn)換成位置的變化。在這種情況下, 如果把機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)全部換算到電動(dòng)機(jī)軸上,則可以理解,最終會(huì)以下列電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的積分形式求出位置: (5.32) 因此,為了使實(shí)際位置跟蹤目標(biāo)位置*, 應(yīng)當(dāng)根據(jù)由*和決定的位置誤差,對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整,于是如圖5.16所示, 即將位置控制器配置到了速度環(huán)的外側(cè)。 第66頁，共130頁。圖 5.16 位置控制系統(tǒng) 第67頁，共130頁。在圖5.16中, 將分相器和絕對(duì)編碼器檢測(cè)出的電動(dòng)機(jī)軸位置與位置指令進(jìn)行比較, 再經(jīng)過與5.4.1節(jié)中4小節(jié)對(duì)應(yīng)的作為半閉環(huán)系統(tǒng)的位置控制器, 產(chǎn)生速度控制指令, 構(gòu)成如圖5.15所示的速度控制系統(tǒng)的輸入

35、。在位置控制器中,一般都采用比例控制方法得到速度指令, 多數(shù)情況下其形式為 (5.33) 但是在機(jī)器人的控制中,位置指令常常由系統(tǒng)前面的函數(shù)形式給出, 如圖5.17中虛線表示的那樣, 將位置指令的微分形式疊加到速度指令上, 同時(shí)采用了前饋控制。這種復(fù)合控制形式也是經(jīng)常采用的。 第68頁，共130頁。圖 5.17 位置、 速度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 第69頁，共130頁。5.5 機(jī)械系統(tǒng)的控制 5.5.1 機(jī)器人手指位置的確定圖5.18表示的是機(jī)器人的位置決定機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)軸的驅(qū)動(dòng)力通過減速器(齒輪)傳遞到滾珠絲杠, 然后由滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成滾珠螺母的直線運(yùn)動(dòng)。 這里對(duì)電動(dòng)機(jī)軸的位置和速度進(jìn)行檢測(cè),

36、以取代對(duì)機(jī)器人手指的位置和速度進(jìn)行測(cè)定, 然后采用半閉環(huán)方式對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制。 因此, 將檢測(cè)出的電動(dòng)機(jī)的電流、速度和位置傳送到控制器，在控制器中形成電壓指令，由驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大后， 再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)。 第70頁，共130頁。圖 5.18 由機(jī)器人決定的位置控制 第71頁，共130頁。5.5.2 設(shè)計(jì)方法可以按照下列要求來說明位置控制的設(shè)計(jì)方法:(1) 設(shè)可移動(dòng)范圍為300mm, 滾珠絲杠的節(jié)距(每一轉(zhuǎn)的進(jìn)給量)為5mm。 (2) 設(shè)工件(被搬運(yùn)物體)的最大質(zhì)量為9kg。 (3) 設(shè)確定位置的精度為0.01mm。 (4) 加速和減速按照?qǐng)D5.19表示的形式進(jìn)行。 (5) 采用直流電動(dòng)機(jī)。 第7

37、2頁，共130頁。圖 5.19 速度模式 第73頁，共130頁。5.5.3 電動(dòng)機(jī)1. 從電動(dòng)機(jī)軸的方向觀察到的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL設(shè)橫向移動(dòng)的質(zhì)量m為10kg,其中工件的最大質(zhì)量為9 kg, 其他附加的質(zhì)量為1kg。電動(dòng)機(jī)一側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=110-2kgcm2, 滾珠絲杠及滾珠絲杠一側(cè)齒輪的組合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=110-1kgcm2,減速比為Z1/Z2=110, 滾珠絲杠的節(jié)距P為5 mm, 于是, JL可以表示為 (5.34) 第74頁，共130頁。2. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL接著求施加到電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載力矩TL。設(shè)動(dòng)摩擦力矩Tf為2Ncm, 靜摩擦力矩Tf0為4 Ncm, 又設(shè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.3

38、kgcm2。因?yàn)槭窃?0ms內(nèi)加速到3000r/min,所以必須的加速度可由下式計(jì)算得到: (5.35) 加速所需要的轉(zhuǎn)矩T1可以由下式求得: T1=(Jm+JL)=(0.3+0.012)10-46283=19.6 (Nm) (5.36) 第75頁，共130頁。 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)載力矩T2可以由T1+Tf0求得, 于是得出: T2=T1+Tf0=19.6+4=23.6 (Ncm) 加速時(shí)的負(fù)載力矩T3可以由T1+Tf求得, 于是得出: T3=T1+Tf=19.6+2=21.6 (Ncm) 恒速時(shí)的負(fù)載力矩T4可以由Tf構(gòu)成, 于是得出: T4=Tf=2 (Ncm) 減速時(shí)的負(fù)載力矩T5可以由-T

39、1+Tf求得, 于是得出: T5=-T1+Tf=-19.6+2=-17.6 (Ncm) (5.40) (5.39) (5.38) (5.37) 第76頁，共130頁。圖 5.20 負(fù)載力矩TL的變化 第77頁，共130頁。 3 . 電動(dòng)機(jī)的選定 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的速度-轉(zhuǎn)矩特性由圖5.21給出時(shí), 有必要檢驗(yàn)這個(gè)電動(dòng)機(jī)是否滿足前面的設(shè)計(jì)方法。由圖5.20得知,開始運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩必須是23.6Ncm,如果設(shè)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為95Ncm,則充分滿足要求。 由圖5.20得知,加速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩必須是221.6Ncm, 由圖5.21可以看出,電動(dòng)機(jī)在3000r/min范圍內(nèi)加速或減速時(shí),轉(zhuǎn)矩的最大值為37Ncm,

40、所以可以充分地滿足要求。 第78頁，共130頁。圖 5.21 電動(dòng)機(jī)的速度-轉(zhuǎn)矩曲線 第79頁，共130頁。5.5.4 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是對(duì)信號(hào)進(jìn)行電力放大的電力放大器(功率放大器)。 因此, 對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的選擇, 應(yīng)能最充分地發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的性能。 通常, 驅(qū)動(dòng)器的選擇由電動(dòng)機(jī)的制造廠指定。 第80頁，共130頁。5.5.5 檢測(cè)位置用的脈沖編碼器(PE)和檢測(cè)速度用的測(cè)速發(fā)電機(jī)(TG)首先,考慮脈沖編碼器每一轉(zhuǎn)內(nèi)的脈沖數(shù)目。設(shè)位置的確定精度為0.01mm。滾珠絲杠每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn), 滾珠螺母移動(dòng)5mm。 減速比為Z1/Z2=110。設(shè)每一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)為x時(shí), 則下式成立: (5.41) 因此, 可以采用5

41、0個(gè)脈沖轉(zhuǎn)的編碼器。 第81頁，共130頁。其次, 因?yàn)樽畲笠苿?dòng)距離為300mm,所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)數(shù)為300/5=60轉(zhuǎn)。因?yàn)闇p速比為110, 所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為600轉(zhuǎn), 脈沖編碼器的脈沖數(shù)為60050=30 000個(gè)脈沖。這個(gè)數(shù)目必須在控制器能夠處理的最大脈沖數(shù)以內(nèi)。 另外,因最大速度為3000r/min, 故每秒脈沖編碼器的脈沖數(shù)為(3000/60)50=2500個(gè)脈沖。這個(gè)脈沖率也必須小于控制器能夠處理的最大脈沖率。當(dāng)增加脈沖編碼器的脈沖數(shù)目時(shí), 精度會(huì)升高, 但是處理速度會(huì)變慢。 第82頁，共130頁。測(cè)速發(fā)電機(jī)(TG)是一種直流發(fā)電機(jī), 隨著從低速到高速的運(yùn)轉(zhuǎn),它能夠輸出平滑的直流

42、電壓。轉(zhuǎn)速為1000rmin時(shí), 它的輸出電壓為23V。在中、高速的情況下, 通過在一定時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)脈沖編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)目來進(jìn)行速度檢測(cè)。 在低速情況下, 則是通過在脈沖編碼器的脈沖間隔內(nèi), 用統(tǒng)計(jì)細(xì)小脈沖數(shù)目的方法來進(jìn)行速度檢測(cè)。 第83頁，共130頁。5.5.6 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)表示法 1. 直流電動(dòng)機(jī)的等效電路和方框圖直流電動(dòng)機(jī)的等效電路可以表示成圖5.22。圖中L為線圈的電感,Li為磁通, 磁通對(duì)時(shí)間的微分為電壓。R為線圈的電阻。 電壓KEm為速度電動(dòng)勢(shì), 它是用常數(shù)KE乘速度m得到的。分析結(jié)果可以構(gòu)成電路方程式: (5.42) 第84頁，共130頁。圖 5.22 直流電動(dòng)機(jī)的等效

43、電路第85頁，共130頁。由于存在L, 因此電流的變化比電壓的變化滯后。當(dāng)考慮不產(chǎn)生滯后問題的平穩(wěn)響應(yīng)時(shí),應(yīng)設(shè)L=0。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩m,用常數(shù)KT乘電流i可以求得。當(dāng)負(fù)載是由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL、具有摩擦系數(shù)D的摩擦和外力L構(gòu)成時(shí),其運(yùn)動(dòng)方程式可以表示成下式: (5.43) 通常, 摩擦比較小, 因此多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)。 第86頁，共130頁。設(shè)初始條件為0, 對(duì)式(5.42)和式(5.43)進(jìn)行拉普拉斯變換, 可以得到 sLI(s)+RI(s)=(sL+R)I(s)=V(s)-KE(s) (5.44) sJ(s)+D(s)=(sJ+D)(s)=Tm(s)-TL(s)=KTI(s)-TL(s)

44、(5.45) 式中, I(s)=Li(t), V(s)=L v(t), (s)=L(t),Tm(s)=L M(t), TL(s)=LL(t), J=JL+Jm 第87頁，共130頁。圖 5.23 直流電動(dòng)機(jī)的方框圖 第88頁，共130頁。2. 直流電動(dòng)機(jī)對(duì)輸入電壓的速度響應(yīng)在圖5.23中, 為使問題簡(jiǎn)化,設(shè)電感L、摩擦系數(shù)D和干擾與TL(s)均為0。求這時(shí)從輸入V(s)到輸出(s)的傳遞函數(shù)。 由圖5.23可以求得 (5.46) (5.47) 第89頁，共130頁。由式(5.46)和式(5.47), 可以求出傳遞函數(shù)式 (5.48) 當(dāng)電壓V(s)為1/s時(shí)(此時(shí)v(t)為單位階躍函數(shù),它在時(shí)

45、刻tTD時(shí), 從(s)到輸出(s)的傳遞函數(shù)變?yōu)橄率? (5.56) 第108頁，共130頁。圖 5.32 IPD補(bǔ)償后的速度控制系統(tǒng)方框圖 第109頁，共130頁。5.5.11 電流控制 在圖5.23所示的直流電動(dòng)機(jī)的方框圖中,將電流I(s)進(jìn)行反饋, 并且將其與指令電流I*(s)進(jìn)行比較, 從而可以構(gòu)成電流控制。現(xiàn)在我們來考慮這種控制, 變量(s)仍采用原來的量, 從指令電流I*(s)到檢測(cè)電流I(s)的傳遞函數(shù)可以求出為 (5.57) 第110頁，共130頁。在式(5.57)中, 當(dāng)增益Kc十分大時(shí),I(s)I*(s), 于是圖5.33可以簡(jiǎn)化成圖5.34。這是因?yàn)橛删€圈的電感L造成的電

46、流相對(duì)于電壓的滯后, 以及速度電動(dòng)勢(shì)KE(s)可以忽略。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M的響應(yīng)特性得到改善, 同時(shí), 防止電動(dòng)機(jī)的過電流也變得比較容易。 在大多數(shù)伺服電動(dòng)機(jī)的控制回路中, 都采用了電流控制方式。 第111頁，共130頁。圖 5.33 增加了電流控制的直流電動(dòng)機(jī)的方框圖 第112頁，共130頁。圖 5.34 因電流控制而簡(jiǎn)化的直流電動(dòng)機(jī)的方框圖 第113頁，共130頁。用圖5.34中得到的結(jié)果, 取代圖5.25中的直流電動(dòng)機(jī), 可以得到圖5.35。在圖5.35中, 從輸入*(s)到輸出(s)的傳遞函數(shù), 這時(shí)變成下式: (5.58) 第114頁，共130頁。圖 5.35 加電流控制后的速度控制

47、系統(tǒng)方框圖 第115頁，共130頁。因?yàn)槟Σ料禂?shù)D較小, 所以速度m(t)變成振動(dòng)的, 這從拉普拉斯變換表中可以清楚地看出。 因此, 如果設(shè)微分環(huán)節(jié)1/s為1/s+Kp時(shí), 則傳遞函數(shù)變成為下式: (5.59) 當(dāng)在積分環(huán)節(jié)1/s上增加比例增益Kp時(shí),由于設(shè)置了1/s+Kp,因此衰減常數(shù)增大,穩(wěn)定性隨之增加, 這種性能的改善是必要的。 如果摩擦系數(shù)D非常小而可以忽略時(shí), 則可以得到下式: 第116頁，共130頁。(5.60) 式中, 圖5.36表示了當(dāng)=1時(shí)的階躍響應(yīng)。但是,這里外設(shè)力TL(s)為0,即使是=1, 這里仍然發(fā)生了過調(diào)現(xiàn)象, 這是由式(5.60)中的零點(diǎn)造成的。 第117頁，共1

48、30頁。圖 5.36 加了電流控制后的速度控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(=1) 第118頁，共130頁。5.5.12 不產(chǎn)生速度模式的位置控制到現(xiàn)在為止,都是由位置的偏差來計(jì)算速度模式, 利用針對(duì)指令速度的速度控制系統(tǒng)實(shí)施位置控制。這里,我們通過補(bǔ)償環(huán)節(jié), 根據(jù)位置偏差構(gòu)造指令速度, 以說明構(gòu)成速度控制的方法。但是, 應(yīng)附加進(jìn)電流控制。 在式(5.60)中,如果設(shè)速度回路的響應(yīng)比位置回路的響應(yīng)快得多,從而使|s|=|j|n成立,則式(5.60)可以簡(jiǎn)化為(s)*(s),補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用比例環(huán)節(jié)Kp0。由此得到的位置控制系統(tǒng)如圖5.37所示, 它可以近似地用一階系統(tǒng)表示。 第119頁，共130頁。圖 5.37 用一階系統(tǒng)近似表示的位置控制系統(tǒng) 第120頁，共130頁。5.5.13 力控制 因?yàn)橛贸?shù)KT乘電流i可以求出轉(zhuǎn)矩, 所以對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制可以通過對(duì)電流的控制來實(shí)現(xiàn)。正如在5.5.11節(jié)中討論過的那樣, 如果進(jìn)行電流反饋, 就可以實(shí)現(xiàn)電流控制。另外,由運(yùn)動(dòng)方程式(5.6