工業(yè)機(jī)器人技術(shù)(郭洪紅)第5章

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 電動機(jī)的控制 5.5 機(jī)械系統(tǒng)的控制 習(xí)題 5.1工業(yè)機(jī)器器人控制制系統(tǒng)的的特點(diǎn)機(jī)器人的的結(jié)構(gòu)是是一個空空間開鏈鏈機(jī)構(gòu), 其各各個關(guān)節(jié)節(jié)的運(yùn)動動是獨(dú)立立的,為為了實實現(xiàn)末端端點(diǎn)的運(yùn)運(yùn)動軌跡跡,需需要多關(guān)關(guān)節(jié)的運(yùn)運(yùn)動協(xié)調(diào)調(diào)。因因此,其其控制制系統(tǒng)與與普通的的控制系系統(tǒng)相比比要復(fù)雜雜得多,具體如如下:(1)機(jī)機(jī)器人人的控制制與機(jī)構(gòu)構(gòu)運(yùn)動學(xué)學(xué)及動力力學(xué)密切切相關(guān)。 機(jī)器器人手足足的狀態(tài)態(tài)可以在在各種坐坐標(biāo)下進(jìn)進(jìn)行描述述,應(yīng)當(dāng)當(dāng)根據(jù)需需要選擇擇不同的的參考坐坐標(biāo)系, 并

2、做做適當(dāng)?shù)牡淖鴺?biāo)變變換。經(jīng)經(jīng)常要求求正向運(yùn)運(yùn)動學(xué)和和反向運(yùn)運(yùn)動學(xué)的的解,除除此之之外還要要考慮慣慣性力、 外力力(包括括重力)、哥氏氏力及向向心力的影影響。(2)一一個簡簡單的機(jī)機(jī)器人至至少要有有35個自由由度,比比較復(fù)復(fù)雜的機(jī)機(jī)器人有有十幾個個甚至幾幾十個自自由度。 每個個自由度度一般包包含一個個伺服機(jī)機(jī)構(gòu),它它們必必須協(xié)調(diào)調(diào)起來, 組成成一個多多變量控控制系統(tǒng)統(tǒng)。(3)把把多個個獨(dú)立的的伺服系系統(tǒng)有機(jī)機(jī)地協(xié)調(diào)調(diào)起來, 使其其按照人人的意志志行動, 甚至至賦予機(jī)機(jī)器人一一定的“智能”,這這個任務(wù)務(wù)只能由由計算機(jī)機(jī)來完成成。因因此,機(jī)機(jī)器人人控制系系統(tǒng)必須須是一個個計算機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)。同時,計

3、算機(jī)軟軟件擔(dān)負(fù)負(fù)著艱巨巨的任務(wù)務(wù)。(4)描描述機(jī)機(jī)器人狀狀態(tài)和運(yùn)運(yùn)動的數(shù)數(shù)學(xué)模型型是一個個非線性性模型, 隨著著狀態(tài)的的不同和和外力的的變化, 其參參數(shù)也在在變化, 各變變量之間間還存在在耦合。因此, 僅僅僅利用位位置閉環(huán)環(huán)是不夠夠的,還還要利用用速度甚甚至加速速度閉環(huán)環(huán)。系統(tǒng)統(tǒng)中經(jīng)常常使用重重力補(bǔ)償償、前饋饋、解耦耦或自適適應(yīng)控制制等方法法。(5)機(jī)機(jī)器人人的動作作往往可可以通過過不同的的方式和和路徑來來完成, 因此此存在一一個“最最優(yōu)”的的問題。 較高高級的機(jī)機(jī)器人可可以用人人工智能能的方法法,用計計算機(jī)建建立起龐龐大的信信息庫, 借助助信息庫庫進(jìn)行控控制、決決策、管理和和操作。 根據(jù)據(jù)傳

4、感器器和模式式識別的的方法獲獲得對象象及環(huán)境境的工況況,按按照給定的的指標(biāo)要要求,自動地選選擇最佳佳的控制制規(guī)律。5.2工業(yè)機(jī)器器人控制制系統(tǒng)的的主要功功能1.示示教再現(xiàn)現(xiàn)功能2.運(yùn)動控制制功能5.2.1示示教再現(xiàn)現(xiàn)控制1.示教及記記憶方式式1)示教的方方式示教的方方式總的的可分為為集中示示教方式式和分離離示教方方式。集中示教教方式就就是指同同時對位位置、速速度、操操作順序序等進(jìn)行行的示教教方式。 分離離示教方方式是指指在示教教位置之之后,再再一邊邊動作, 一邊邊分別示示教位置置、速速度、操操作順順序等的的示教方方式。當(dāng)對PTP(點(diǎn)位控制制方式)控制的的工業(yè)機(jī)機(jī)器人示示教時, 可以以分步編編制

5、程序序,且能能進(jìn)行編編輯、修修改等工工作。但但是在作作曲線運(yùn)運(yùn)動而且且位置精精度要求求較高時時,示教教點(diǎn)數(shù)一一多,示示教時間間就會拉拉長,且且在每每一個示示教點(diǎn)都都要停止止和啟動動,因因而很難難進(jìn)行速速度的控控制。對需要控控制連續(xù)續(xù)軌跡的的噴漆、電弧焊焊等工業(yè)業(yè)機(jī)器人人進(jìn)行連連續(xù)軌跡跡控制的的示教時時,示示教操作作一旦開開始,就就不能能中途停停止,必必須不不中斷地地進(jìn)行到到完,且且在示示教途中中很難進(jìn)進(jìn)行局部部修正。示教方式式中經(jīng)常常會遇到到一些數(shù)數(shù)據(jù)的編編輯問題題,其其編輯機(jī)機(jī)能有如如圖5.1所示示的幾種種方法。 在圖中, 要連連接A與與B兩點(diǎn)點(diǎn)時,可可以這這樣來做做:(a)直直接連連接;(

6、b) 先在在A與B之間指指定一點(diǎn)點(diǎn)x,然然后用用圓弧連連接;(c) 用指指定半徑徑的圓弧弧連接; (d)用用平行移移動的方方式連接接。在CP(連續(xù)軌跡跡控制方方式)控控制的示示教中, 由于于CP控制的示示教是多多軸同時時動作, 因此此與PTP控制不同同,它幾幾乎必須須在點(diǎn)與與點(diǎn)之間間的連線線上移動動,故故有如圖圖5.2所示的的兩種方方法。圖5.1示教數(shù)據(jù)據(jù)的編輯輯機(jī)能圖5.2CP控制示教教舉例2)記記憶的方方式工業(yè)機(jī)器器人的記記憶方式式隨著示示教方式式的不同同而不同同。又由由于記憶憶內(nèi)容的的不同, 故其其所用的的記憶裝裝置也不不完全相相同。通通常,工工業(yè)機(jī)機(jī)器人操操作過程程的復(fù)雜雜程序取取決于

7、記記憶裝置置的容量量。容量量越大, 其記記憶的點(diǎn)點(diǎn)數(shù)就越越多,操操作的的動作就就越多, 工作作任務(wù)就就越復(fù)雜雜。最初工業(yè)業(yè)機(jī)器人人使用的的記憶裝裝置大部部分是磁磁鼓,隨隨著科科學(xué)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展,慢慢慢地出出現(xiàn)了磁磁線、磁磁芯等記記憶裝置置。現(xiàn)在在,計計算機(jī)技技術(shù)的發(fā)發(fā)展帶來來了半導(dǎo)導(dǎo)體記憶憶裝置的的出現(xiàn), 尤其其是集成成化程度度高、容容量大、高度可可靠的隨隨機(jī)存取取存儲器器(RAM)和可編程程只讀存存儲器(EPROM)等半導(dǎo)體體的出現(xiàn)現(xiàn),使使工業(yè)機(jī)機(jī)器人的的記憶容容量大大大增加, 特別別適合于于復(fù)雜程程度高的的操作過過程的記憶,并且其記記憶容量量可達(dá)無無限。2.示示教編程程方式1)手把手示示教

8、編程程手把手示示教編程程方式主主要用于于噴漆、弧焊等等要求實實現(xiàn)連續(xù)續(xù)軌跡控控制的工工業(yè)機(jī)器器人示教教編程中中。具體體的方法法是人工工利用示示教手柄柄引導(dǎo)末末端執(zhí)行行器經(jīng)過過所要求求的位置置,同時時由傳感感器檢測測出工業(yè)業(yè)機(jī)器人人各關(guān)節(jié)節(jié)處的坐坐標(biāo)值,并由控控制系統(tǒng)統(tǒng)記錄、存儲下下這些數(shù)數(shù)據(jù)信息息。實際際工作當(dāng)當(dāng)中,工工業(yè)機(jī)機(jī)器人的的控制系系統(tǒng)重復(fù)復(fù)再現(xiàn)示示教過的的軌跡和和操作技技能。手把手示示教編程程也能實實現(xiàn)點(diǎn)位位控制,與CP控制不同同的是, 它只只記錄各各軌跡程程序移動動的兩端點(diǎn)位置置,軌跡的運(yùn)運(yùn)動速度度則按各各軌跡程程序段對對應(yīng)的功功能數(shù)據(jù)據(jù)輸入。2)示示教盒示示教編程程示教盒示示教編

9、程程方式是是人工利利用示教教盒上所所具有的的各種功功能的按按鈕來驅(qū)驅(qū)動工業(yè)業(yè)機(jī)器人人的各關(guān)關(guān)節(jié)軸, 按作作業(yè)所需需要的順順序單軸軸運(yùn)動或或多關(guān)節(jié)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)運(yùn)動,從從而完完成位置置和功能能的示教教編程。示教盒通通常是一一個帶有有微處理理器的、可隨意意移動的的小鍵盤盤,內(nèi)內(nèi)部ROM中固化有有鍵盤掃掃描和分分析程序序。其功功能鍵一一般具有有回零、示教方方式、自自動方式式和參數(shù)數(shù)方式等等。示教編程程控制由由于其編編程方便便、裝置置簡單等等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)業(yè)機(jī)器人人的初期期得到較較多的應(yīng)應(yīng)用。同同時,又又由于于其編程程精度不不高、程程序修修改困難難、示教教人員要要熟練等等缺點(diǎn)的的限制,促使人人們又開發(fā)了許許多

10、新的的控制方方式和裝裝置,以使工業(yè)業(yè)機(jī)器人人能更好好更快地地完成作作業(yè)任務(wù)務(wù)。5.2.2工工業(yè)機(jī)器器人的運(yùn)運(yùn)動控制制工業(yè)機(jī)器器人的運(yùn)運(yùn)動控制制是指工工業(yè)機(jī)器器人的末末端執(zhí)行行器從一一點(diǎn)移動動到另一一點(diǎn)的過過程中, 對其其位置、速度和和加速度度的控制制。由由于工業(yè)業(yè)機(jī)器人人末端操操作器的的位置和和姿態(tài)是是由各關(guān)關(guān)節(jié)的運(yùn)運(yùn)動引起起的,因因此,對對其運(yùn)動動控制實實際上是是通過控控制關(guān)節(jié)節(jié)運(yùn)動實實現(xiàn)的。工業(yè)機(jī)器器人關(guān)節(jié)節(jié)運(yùn)動控控制一般般可分為為兩步進(jìn)進(jìn)行。第第一步是是關(guān)節(jié)運(yùn)運(yùn)動伺服服指令的的生成, 即指指將末端端執(zhí)行器器在工作作空間的的位置和和姿態(tài)的的運(yùn)動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為由由關(guān)節(jié)變變量表示示的時間間序列或或表

11、示為為關(guān)節(jié)變變量隨時時間變化化的函數(shù)數(shù)。這一一步一般般可離線線完成。第二步步是關(guān)節(jié)節(jié)運(yùn)動的的伺服控控制,即即跟蹤執(zhí)行第第一步所所生成的的關(guān)節(jié)變變量伺服服指令。這一步是是在線完完成的。5.3工業(yè)機(jī)器器人的控控制方式式5.3.1點(diǎn)點(diǎn)位控制制方式(PTP)這種控制制方式的的特點(diǎn)是是只控制制工業(yè)機(jī)機(jī)器人末末端執(zhí)行行器在作作業(yè)空間間中某些些規(guī)定的的離散點(diǎn)點(diǎn)上的位位姿?？乜刂茣r只只要求工工業(yè)機(jī)器器人快速速、準(zhǔn)準(zhǔn)確地實實現(xiàn)相鄰鄰各點(diǎn)之之間的運(yùn)運(yùn)動,而而對達(dá)到到目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)的運(yùn)動動軌跡則則不作任任何規(guī)定定。這種種控制方方式的主主要技術(shù)術(shù)指標(biāo)是是定位精精度和運(yùn)運(yùn)動所需需的時間間。由于于其控制制方式易易于實現(xiàn)現(xiàn)、定位

12、位精度要要求不高高的特點(diǎn)點(diǎn),因因而常被被應(yīng)用在在上下料料、搬運(yùn)運(yùn)、點(diǎn)焊焊和在電電路板上上安插元元件等只只要求目目標(biāo)點(diǎn)處處保持末末端執(zhí)行行器位姿姿準(zhǔn)確的的作業(yè)中中。一般般來說,這種方式式比較簡簡單,但是,要達(dá)到23m的定位精精度是相相當(dāng)困難難的。5.3.2連連續(xù)軌跡跡控制方方式(CP)這種控制制方式的的特點(diǎn)是是連續(xù)地地控制工工業(yè)機(jī)器器人末端端執(zhí)行器器在作業(yè)業(yè)空間中中的位姿姿,要要求其嚴(yán)嚴(yán)格按照照預(yù)定的的軌跡和和速度在在一定的的精度范范圍內(nèi)運(yùn)運(yùn)動,而而且速速度可控控,軌軌跡光滑滑，運(yùn)運(yùn)動平穩(wěn)穩(wěn),以以完成作作業(yè)任務(wù)務(wù)。工業(yè)業(yè)機(jī)器人人各關(guān)節(jié)節(jié)連續(xù)、同步地地進(jìn)行相相應(yīng)的運(yùn)運(yùn)動,其其末端端執(zhí)行器器即可形形

13、成連續(xù)續(xù)的軌跡跡。這種種控制方方式的主主要技術(shù)術(shù)指標(biāo)是是工業(yè)機(jī)機(jī)器人末末端執(zhí)行行器位姿姿的軌跡跡跟蹤精精度及平平穩(wěn)性。通?；』『?、噴噴漆、去去毛邊和和檢測作作業(yè)機(jī)器器人都采采用這種種控制方方式。圖 5.3點(diǎn)點(diǎn)位控制制與連續(xù)續(xù)軌跡控控制(a)點(diǎn)位控制制；(b)連續(xù)軌跡跡控制5.3.3力力(力矩矩)控制制方式在完成裝裝配、抓抓放物物體等工工作時, 除要要準(zhǔn)確定定位之外外,還還要求使使用適度度的力或或力矩進(jìn)進(jìn)行工作作,這這時就要要利用力力(力矩矩)伺服服方式。 這種種方式的的控制原原理與位位置伺服服控制原原理基本本相同,只不過過輸入量量和反饋饋量不是是位置信信號,而而是力力(力矩矩)信號號,因因此系

14、統(tǒng)統(tǒng)中必須須有力(力矩)傳感器。有時也利利用接近近、滑動等傳傳感功能能進(jìn)行自自適應(yīng)式式控制。5.3.4智智能控制制方式機(jī)器人的的智能控控制是通通過傳感感器獲得得周圍環(huán)環(huán)境的知知識,并并根據(jù)據(jù)自身內(nèi)內(nèi)部的知知識庫作作出相應(yīng)應(yīng)的決策策。采采用智能能控制技技術(shù),使使機(jī)器器人具有有了較強(qiáng)強(qiáng)的環(huán)境境適應(yīng)性性及自學(xué)學(xué)習(xí)能力力。智能能控制技技術(shù)的發(fā)發(fā)展有賴賴于近年年來人工工神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、基基因算法法、遺傳傳算法、專家系系統(tǒng)等人人工智能能的迅速發(fā)展。5.4電動機(jī)的的控制5.4.1電電動機(jī)的的控制1.機(jī)器人中中電動機(jī)機(jī)的控制制特征電動機(jī)的的種類各各種各樣樣,根根據(jù)各自自的特點(diǎn)點(diǎn),工工業(yè)界早早就在家家電、玩玩具、辦

15、辦公儀器器設(shè)備、測量儀儀器甚至至電氣鐵鐵路這樣樣一些廣廣泛的領(lǐng)領(lǐng)域內(nèi)制制定了各各種不同同的使用用方法。在這些些應(yīng)用中,機(jī)器人中中的電動動機(jī)有其其自身的的特點(diǎn)。表5.1列出了了機(jī)床和和機(jī)器人人電動機(jī)機(jī)在用途途上的對對比情況況。用用于生產(chǎn)產(chǎn)線上的的機(jī)器人人,主要要承擔(dān)著著零件供供應(yīng)、裝裝配和搬搬運(yùn)等工工作,其其控制制目的是是位置控控制。因因為機(jī)器器人的動動作基本本上是腕腕部的運(yùn)運(yùn)動,所所以對對電動機(jī)機(jī)來說,主要是是慣性負(fù)負(fù)載,并并且還還存在有有重力負(fù)負(fù)載。有有負(fù)載運(yùn)運(yùn)動時, 電動動機(jī)的速速度最慢慢;無負(fù)負(fù)載運(yùn)動動時,電電動機(jī)機(jī)的速度度最快。它們的的比值大大體上是是110,有有時可可以達(dá)到到1100

16、。 此外外,從從電動機(jī)機(jī)的輸出出功率考考慮,多多數(shù)為為十瓦(W)到數(shù)千瓦(kW)的電動機(jī)機(jī)。本節(jié)節(jié)只考慮慮小型電電動機(jī)的的分類。表5.1機(jī)床和機(jī)機(jī)器人控控制電動動機(jī)的特特征對比比2.電電動機(jī)的的選用電動機(jī)根根據(jù)輸出出形式分分,可以以分為旋旋轉(zhuǎn)型和和直線型型(如果果根據(jù)采采用的電電源分類類,則則如表5.2所所列)。當(dāng)考慮慮電動機(jī)機(jī)在機(jī)器器人中的的應(yīng)用時時,應(yīng)應(yīng)主要關(guān)關(guān)注電動動機(jī)的如如下基本本性能: (1)能能實現(xiàn)現(xiàn)啟動、停止、連續(xù)的的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)行, 且具具有良好好的響應(yīng)應(yīng)特性。 (2)正正轉(zhuǎn)與與反轉(zhuǎn)時時的特性性相同, 且運(yùn)運(yùn)行特性性穩(wěn)定。 (3)維維修容容易,而而且不不用保養(yǎng)養(yǎng)。(4)具有良好好

17、的抗干干擾能力力,且相對于于輸出來來說,體積小,重量輕。3.機(jī)機(jī)器人電電動機(jī)的的變換器器對于直流流電動機(jī)機(jī),變變換器首首先將其其電壓和和電流控控制到希希望的數(shù)數(shù)值;對對于交交流電動動機(jī),電電力變變換器首首先將其其電壓、 電流流和頻率率控制到到希望的的數(shù)值, 然后后對電動動機(jī)的速速度進(jìn)行行控制, 進(jìn)而對電動動機(jī)的位位置進(jìn)行行控制。圖5.4所示為電電動機(jī)的的種類。圖5.4電動機(jī)的的種類表5.2概括了了在電動動機(jī)控制制中采用用的電力力變換器器的分類類和主要要用途。除了電電車和蓄蓄電池叉叉動起重重車等一一些特殊殊應(yīng)用外外,一一般來說說,不用用電池和和蓄電池池作為直直流電源源,而而是采用用對商用用的交流

18、流電進(jìn)行行整流后后得到的的直流電電。把把交流電電變換成成直流電電的過程程,稱稱為順變變換,這這里采采用的電電力變換換器,稱稱為整整流電路路。一一般來說說,由于于交流方方面的正正弦波形形畸變會會引起電電壓的變變動和感感應(yīng)干擾擾,因因此應(yīng)采采取措施施,設(shè)設(shè)法保持持輸入電電流波形形的正弦弦波形狀狀。所以以，它不不同于通常常的整流流電路,可稱之為為PWM變換器。表5.2電動機(jī)控控制中的的電力變變換器的的分類及及用途4.電電動機(jī)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成成圖5.5表示了了用前面面講過的的電動機(jī)機(jī)和電力力變換器器組合成成的電動動機(jī)控制制系統(tǒng)的的一般構(gòu)構(gòu)成。正正如前面面講過的的那樣, 通過過電力變變換器, 將商商用

19、電源源的電壓壓、電流流和頻率率進(jìn)行交交換,然然后對對電動機(jī)機(jī)進(jìn)行控控制。電電動機(jī)的的輸出量量P(W)雖雖然用電電量表示示,但但它是通通過減速速器和傳傳動裝置置(連接接器、齒齒輪、 傳送送帶等)傳送至至機(jī)械系系統(tǒng)的。這里用用速度l(rad/s)和力矩矩TL(Nm)表示示機(jī)械動動力,并并用下下式表示示它與電電動機(jī)輸輸出量P(W)的關(guān)系系:P=lTL(5.1)該式為電電氣功率率與機(jī)械械功率的的重要關(guān)關(guān)系式, 并且且是以SI表示的。但是,通常情況下,轉(zhuǎn)速的單單位用r/min,力矩的單單位用kgm,當(dāng)采用這這種單位位時,式(5.1)就變成了了P=1.026lTL(5.2)圖5.5電動機(jī)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成

20、成5.4.2電電動機(jī)速速度的控控制1.直直流電動動機(jī)的速速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系直流電動動機(jī)依據(jù)據(jù)圖5.4中表表示的磁磁場與電電樞連接接方式的的不同,有他激激、并激激、串激激和復(fù)激激電動機(jī)機(jī)等類型型。在機(jī)機(jī)器人中中，他他激電動動機(jī)中采采用永久久磁鐵的的電機(jī)用用得較多多，所以以本節(jié)只只對這種種電機(jī)進(jìn)進(jìn)行說明明?，F(xiàn)在我們們根據(jù)電電機(jī)學(xué)原原理,當(dāng)當(dāng)設(shè)電動動機(jī)的速速度為m(rads),電電動機(jī)電電樞的電電壓、電電流、電電阻分別別為U(V)、I(A)、R(), 電動動勢系數(shù)數(shù)為KE時,它它們之間間滿足下下列關(guān)系系:(5.3)式中,Vb稱為電刷刷電壓降降,通通常為23V,多多數(shù)情況況下可以以忽略不不計;但但在

21、外加加電壓比比較小的的電動機(jī)機(jī)中,則則必須須予以考考慮。另另一方面面,對對于轉(zhuǎn)矩矩Tm(Nm),若若設(shè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩系數(shù)數(shù)為KT(Nm/A)時,可可求得得轉(zhuǎn)矩為為Tm=KT(I-I0)式中,I0為軸等零零件上承承受的摩摩擦轉(zhuǎn)矩矩的換算算值,多多數(shù)情情況下可可以忽略略不計,但是當(dāng)當(dāng)電動機(jī)機(jī)的輸出出比較小小時,就就不能能忽略不不計。于于是,從從上述兩兩式中消消去電樞樞電流后后,電動動機(jī)的速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之間間的關(guān)系系可以用用下式表表示:(5.5)(5.4)由式(5.5)可以看看出,電電動機(jī)機(jī)的速度度相對于于轉(zhuǎn)矩成成直線關(guān)關(guān)系減小小,其其減小的的比例顯顯然由電電樞的電電阻、電電動勢系系數(shù)和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩系數(shù)數(shù)決定。另外

22、, 在表表5.3中表示示了三種種直流電電動機(jī)的的產(chǎn)品目目錄,它它們是是一些具具有代表表性的產(chǎn)產(chǎn)品。這這里若以以電動機(jī)機(jī)B為例例,首首先應(yīng)注注意式(5.3)中的的單位, 再將將額定值值代入式式(5.3), 于是是可以確確定電刷刷上的電電壓降66.5=7.41.03+0.01873000+UbUb=2.73(V)此外,將將額定定值代入入式(5.4)時,即即可求求出軸上上承受的的摩擦轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的電電流換算算值。將將這些值代代入式(5.5),即可求出出這個電電動機(jī)的的轉(zhuǎn)矩與與速度的的關(guān)系,其形式為為(5.6)因此,當(dāng)當(dāng)用這這個電動動機(jī)驅(qū)動動機(jī)器人人手臂, 并且且希望產(chǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.85Nm、電動動機(jī)旋

23、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度為為2200r/min時,對對這個個電動機(jī)機(jī)應(yīng)該施施加的電電壓和電電流,可可以依依據(jù)下列列方法予予以確定定:首先,將轉(zhuǎn)矩和和轉(zhuǎn)速代代入式(5.6),并且注意意式中的的單位,于是可以以確定外外加電壓壓為電流可以以根據(jù)式式(5.4)計算得到到,其值為表5.3直流電動動機(jī)的產(chǎn)產(chǎn)品目錄錄舉例一般來說說,對于于機(jī)器人人,由于于動作和和姿態(tài)的的不同, 對電電動機(jī)的的速度和和轉(zhuǎn)矩的的要求也也不同,因此, 電動動機(jī)的外外加電壓壓和電流流也必須須時刻作作相應(yīng)的的變化。 另外,直直流電電動機(jī)存存在著電電刷與整整流子的的維護(hù)以以及防止止火花的的問題。為了能能保持電電動機(jī)原原來的控控制特性性,消消除因電電刷和

24、整整流子引引發(fā)的問問題,已已經(jīng)開發(fā)發(fā)出無刷刷直流電電動機(jī),并且正正在進(jìn)入實實用化階階段。圖 5.6直直流電動動機(jī)速度度與轉(zhuǎn)矩矩特性2.直直流電動動機(jī)速度度的控制制前面我們們用式(5.6)給出出了表5.3中中電動機(jī)機(jī)B的速度與與轉(zhuǎn)矩的的關(guān)系。圖5.6表示示的是改改變端電電壓U時,得得到的直直流電動動機(jī)速度度與轉(zhuǎn)矩矩特性。在圖5.6中中,速速度和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩都用用相對于于額定值值的百分分率來表表示。由由這個圖圖可以明明顯地看看出,由由于一方方面要產(chǎn)產(chǎn)生期望望的轉(zhuǎn)矩矩,另一一方面還還要實現(xiàn)期期望的速速度,因此必須須對端電電壓進(jìn)行行調(diào)整。圖5.7是一個個可用于于可逆運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)的四四象限短短路器原原理圖。在圖中中

25、的四個個開關(guān)中中,當(dāng)S1與S4接通時,P、Q點(diǎn)的電位位分別變變成US、 0, 因此此端子上上的電壓壓為US。 當(dāng)S1與S3處于接通通狀態(tài)時時,P、Q點(diǎn)上的的電位相相同,端端子上上的電壓壓為0。同樣地地,當(dāng)當(dāng)設(shè)S2處于接通通狀態(tài)并并接通S3時,則P、Q點(diǎn)的電位位分別變變成0、VS, 因此此端子上上的電壓壓為-VS。S2和S4接通時,端子上上的電壓壓為0。因此,當(dāng)按照照圖(b)中那那樣實施施對開關(guān)關(guān)的接通通與斷開開時,端端子上的的電壓將將會變成成如圖中中表示的的那樣, 這是是容易理理解的。這里定定義斜線線位置上上的兩個個開關(guān)一一同接通通的時間間T1, 與周周期T的的比為流流通率d, 即(5.7)圖

26、5.7還表明明,S1和S2決定端子子上電壓壓的極性性,S3和S4決定流通通率。電動機(jī)平平均端子子電壓的的大小由由下式?jīng)Q決定:U=dUS(5.8)利用這個個斷路器器,可可以使電電源與電電動機(jī)上上電流的的流動是是雙向的的。另外外,作作為一種種電壓控控制方法法,可可以先接接通S1和S4,隨后接通通S2和S3,根據(jù)適當(dāng)?shù)牧髁魍?重復(fù)地進(jìn)進(jìn)行上述述接通操操作。圖5.7四象限斷斷路器電電路及其其操作波波形3.感感應(yīng)電動動機(jī)的速速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系感應(yīng)電動動機(jī)的速速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系不像像直流電電動機(jī)那那樣簡單單。頻頻率為f(Hz)的三相相交流電電,在在級數(shù)為為2p(極對數(shù)數(shù)為p)的三相相感應(yīng)電電動機(jī)中中

27、,產(chǎn)產(chǎn)生的旋旋轉(zhuǎn)磁場場的速度度被稱為為同步速速度,它它可以由由下式求求出:(5.9)感應(yīng)電動動機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速m(rad/s)比同步速速度低,利用轉(zhuǎn)差差率s,可以寫(5.10)圖5.8是大家家熟悉的的感應(yīng)電電動機(jī)單單相部分分的等效效電路, 在采采用轉(zhuǎn)差差率s的的情況下下,轉(zhuǎn)子子的輸入入P2、轉(zhuǎn)子的的功耗W2和輸出Pout的關(guān)系為為P2W2Pout=1s(1-s)(5.11)這里,若若采用用的電源源角頻率率為=2f, 則轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電電流和力力矩分別別為(5.12)(5.13)圖5.8三相感應(yīng)應(yīng)電動機(jī)機(jī)單相部部分的等等效電路路圖5-9三相相感應(yīng)電電動機(jī)單單相部分分的等效效電路4.感感應(yīng)電動動機(jī)的速速度的控

28、控制由前面的的式(5.10)可知知,在在改變感感應(yīng)電動動機(jī)的速速度時, 可以以采用三三種方法法:一一種方法法是通過過電壓控控制改變變轉(zhuǎn)矩, 進(jìn)而而達(dá)到改改變轉(zhuǎn)差差率的目目的(電電壓控制制法); 第二二種方法法是改變變極數(shù)(極數(shù)變變換法);第第三種方方法是改改變頻率率(頻率率控制法法)。近近年來來由于變變換器的的普及,專門的的頻率控控制器得得到了廣廣泛應(yīng)用用。在圖5.8中, 當(dāng)采采用勵磁磁電壓E時,定定子電電流I1和轉(zhuǎn)矩Tm可利用下下式求解解:(5.14)(5.15)圖5.10保持E/f一定進(jìn)行行控制時時的電流流與轉(zhuǎn)矩矩特性5.4.3電電動機(jī)和和機(jī)械的的動態(tài)特特性分析析1.電電動機(jī)和和機(jī)械的的動

29、態(tài)特特性的表表示如果電動動機(jī)產(chǎn)生生的轉(zhuǎn)矩矩Tm大于負(fù)載載的反作作用轉(zhuǎn)矩矩TL, 則會會產(chǎn)生加加速運(yùn)動動;反反之,則則會產(chǎn)生生減速運(yùn)運(yùn)動;如如果兩兩者處于于平衡狀狀態(tài),則則系統(tǒng)統(tǒng)會以一一定速度度進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)定的工工作?，F(xiàn)現(xiàn)在如果果設(shè)換算算到電動動機(jī)軸上上的全部部轉(zhuǎn)動慣慣量為J, 黏性性摩擦系系數(shù)為D, 負(fù)載載力矩為為TLm,則這個個機(jī)械系系統(tǒng)的運(yùn)運(yùn)動方程程式可以以由下式式給出:(5.16)圖 5.11減減速器器多數(shù)驅(qū)動動系統(tǒng)都都采用了了如圖5.11所示的的減速器器。若若設(shè)圖中中電動機(jī)機(jī)和負(fù)載載的速度度為m和L, 并且且設(shè)減速速器的效效率為100%時,則則齒數(shù)數(shù)比定義義如下:(5.17)這時,負(fù)載一側(cè)

30、側(cè)的運(yùn)動動方程式式變成式式(5.16)的形式,且可以寫寫成(5.18)從電動機(jī)機(jī)軸觀察察到力矩矩為負(fù)載載力矩的的1/a,而負(fù)載載一側(cè)的的機(jī)械常常數(shù)則變變?yōu)樵瓉韥淼?1/a)2。因此,這時電電動機(jī)的的轉(zhuǎn)動慣慣量和黏黏性摩擦擦系數(shù)應(yīng)應(yīng)分別進(jìn)進(jìn)行相加加,并并且必須須對式(5.16)中中的J、D進(jìn)行設(shè)置置。此外外,在在實際計計算中, 多數(shù)數(shù)情況下下可以忽忽略黏性性摩擦系系數(shù)。2.直直流電動動機(jī)的啟啟動和停停止圖5.12表示示了電動動機(jī)的加加減速狀狀態(tài)。直直流電動動機(jī)的電電樞電流流在加速速過程中中應(yīng)控制制在一定定的數(shù)值值Icon。這時,運(yùn)運(yùn)動方程程式可以以根據(jù)式式(5.4)和和式(5.16)得到到,并并

31、且可以表示成成(5.20)將上式從從時間t1到時間t2進(jìn)行積分分,得到關(guān)系系式(5.21)圖5.12電動機(jī)的的加減速速這里考慮慮從0速速度到額額定速度度r的啟動時時間TS,于是在在式(5.21)中, 當(dāng)設(shè)設(shè)1=0時, 可以以得到(5.22)當(dāng)希望機(jī)機(jī)器人進(jìn)進(jìn)行快速速運(yùn)動而而選定電電動機(jī)時時,選選擇轉(zhuǎn)動動慣量小小且轉(zhuǎn)矩矩系數(shù)大大的電動動機(jī)比較較好?；谶@這種原因因,機(jī)機(jī)器人用用的電動動機(jī)大都都選用細(xì)細(xì)長型構(gòu)構(gòu)造,而而且選用用稀土類類磁鐵。此外, 在確確定電動動機(jī)時, 應(yīng)該該根據(jù)式式(5.22)在大范范圍內(nèi)設(shè)設(shè)定加減減速時的的電流,其結(jié)果是是增大了了電力變變換器的的容量。3.感感應(yīng)電動動機(jī)的啟啟

32、動和停停止式(5.15)是根據(jù)據(jù)勵磁電電壓計算算出的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,如如果在圖圖5.8中忽略略因R1和l1造成的電電壓降, 則端端子上的的電壓與與勵磁電電壓將會會相等, 于是是轉(zhuǎn)矩可可以近似似地表示示為(5.23)根據(jù)式(5.23),可得到最最大轉(zhuǎn)矩矩Tmax及與其對對應(yīng)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率角角頻率(5.24)把式(5.24)的結(jié)果代代進(jìn)式(5.23),經(jīng)過整理理可得到到Tm的近似表表達(dá)式:(5.25)這里為了了便于討討論,我我們來考考慮感應(yīng)應(yīng)電動機(jī)機(jī)的無負(fù)負(fù)載加減減速問題題,由由式(5.16)和式(5.24)可以得到到下列運(yùn)運(yùn)動方程程式:(5.26)在圖5.12中中,如果果對時間間t1的速度1(轉(zhuǎn)差率率s1)

33、到時間間t2的速度2(轉(zhuǎn)差率率s2)這一區(qū)區(qū)間進(jìn)行行積分, 則可可以得到到關(guān)系式式(5.27)從速度0到額定定速度r(額定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率sr)時的啟啟動時間間Ts, 可以以由下式式求得:(5.28)5.4.4正正確控制制動態(tài)特特性1.力控制為了能對對轉(zhuǎn)矩進(jìn)進(jìn)行控制制,可在在機(jī)械軸軸上安裝裝轉(zhuǎn)矩檢檢測器, 以構(gòu)構(gòu)成一個個反饋系系統(tǒng)。但但要得到到性價比比高、體體積小、頻率特特性好的的轉(zhuǎn)矩檢檢測器則則比較困困難。另外,在在直流他他激電機(jī)機(jī)、無刷刷電機(jī)和和向量控控制感應(yīng)應(yīng)電機(jī)中中,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和電電流之間間存在比比例關(guān)系系。為了了得到期期望的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,需需采用用電流傳傳感器。 霍爾爾元件的的電流傳傳感器因因其價格格

34、低、體積小、頻率特性性好,所以這種種電流傳傳感器在在實踐中中得到了了廣泛應(yīng)應(yīng)用。圖5.13是采采用斷路路器的直直流他激激電動機(jī)機(jī)的力控控制系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成成原理圖圖。設(shè)用用電動機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)矩矩系數(shù)Kr除轉(zhuǎn)矩指指令T*,得到的的結(jié)果為為電流指指令i*, 如果果使實際際的電動動機(jī)電流流i與i*基本一致致,那那么電動動機(jī)就能能夠產(chǎn)生生與轉(zhuǎn)矩矩指令T*相同的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。因因此,如如圖5.13所所示,可可以把把由電流流傳感器器檢測得得到的實實際電動動機(jī)電流流i與電流指指令i*比較,得得到電電流誤差差:圖5.13力控制系系統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成原理理圖在這種方方法中,根據(jù)圖圖5.14(a)中表表示的三三角波信信號SW和i的大小關(guān)

35、關(guān)系,生生成斷斷路器的的開關(guān)關(guān)信號。三角波波比較法法的原理理在圖5.14(b)中清楚楚地表示示了出來來。斷路路器的開開信號依依據(jù)下列列規(guī)律發(fā)發(fā)生:(5.30)因此,在在(1)的期期間,如如果i小于i*,則則i增加,其其結(jié)果果是在(2)的的期間斷斷路器信信號的流流通率增增大,電電動機(jī)外外加電壓壓上升,i增大。當(dāng)當(dāng)i過分分增大時時,i減小,于于是像(3)期期間那樣樣,流通通率減小小,電流流i減小小。為了了提高i對i的跟蹤特特性,可可增大大三角波波的頻率率,根據(jù)據(jù)斷路器器開關(guān)元元件的不不同,通通常其其頻率限限制在數(shù)數(shù)千赫到到十幾千千赫范圍圍內(nèi)。圖5.14三角波比比較法的的原理2.速速度控制制在前面的

36、的式(5.16)中研研究了機(jī)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的運(yùn)動動方程, 這里里當(dāng)我們們忽略黏黏性摩擦擦系數(shù), 且相相對于負(fù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩電動機(jī)機(jī)產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩增增加時, 加速速度變?yōu)闉檎? 電動動機(jī)的旋旋轉(zhuǎn)速度度上升。反之, 當(dāng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減小小時,加加速度度變?yōu)樨?fù)負(fù)值,電電動機(jī)機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度下下降。電電動機(jī)機(jī)的速度度控制系系統(tǒng)構(gòu)成如圖圖5.15所示,是由轉(zhuǎn)矩矩控制來來實現(xiàn)的的,速度控制制環(huán)路配配置在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩控制制環(huán)路的的外側(cè)。圖5.15速度控制制系統(tǒng)采用以測測速發(fā)電電機(jī)和編編碼器為為代表的的速度傳傳感器,可以檢檢測出電電動機(jī)的的旋轉(zhuǎn)速速度。這這個速度度用來與與速度指指令*m進(jìn)行比較較。這這里將產(chǎn)產(chǎn)生的速速度誤差差m返回到

37、速速度控制制部分, 并且且通過轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩指令令T*的增減,力圖使使速度指指令與實實際速度度達(dá)到一一致。速速度控控制部分分采用PI控制制,即即比例積積分控制制:(5.31)在式(5.31)中,用速度度誤差m乘以增益益Kp的結(jié)果,與速度度誤差的的積分值值乘以增增益K1的結(jié)果進(jìn)進(jìn)行相加加,就給給出了產(chǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩矩指令的的一種方方法。通通過對Kp與K1的選定, 可以以實現(xiàn)所所希望的的速度控控制響應(yīng)應(yīng)。3.位位置控制制電動機(jī)軸軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)通過同同步傳送送皮帶和和滾珠絲絲杠傳送送至機(jī)器器人的機(jī)機(jī)構(gòu)部分分,轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成位位置的變變化。在在這種情情況下, 如果果把機(jī)械械系統(tǒng)的的運(yùn)動全全部換算算到電動動機(jī)軸上上,則可可以理

38、解解,最終終會以下列列電動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速的的積分形形式求出出位置:(5.32)因此,為為了使實實際位置置跟蹤目標(biāo)標(biāo)位置*, 應(yīng)當(dāng)當(dāng)根據(jù)由由*和決定的位位置誤差差,對電動動機(jī)的速速度進(jìn)行調(diào)整整,于是是如圖5.16所示, 即將將位置控控制器配配置到了了速度環(huán)環(huán)的外側(cè)側(cè)。圖5.16位置控制制系統(tǒng)在圖5.16中中,將將分相器器和絕對對編碼器器檢測出出的電動動機(jī)軸位位置與位位置指令令進(jìn)行比比較,再再經(jīng)過過與5.4.1節(jié)中4小節(jié)對對應(yīng)的作作為半閉閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)的位置置控制器器,產(chǎn)產(chǎn)生速度度控制指指令,構(gòu)構(gòu)成如如圖5.15所所示的速速度控制制系統(tǒng)的的輸入。在位置置控制器器中,一一般都采采用比例例控制方方法得到到速度指

39、指令,多多數(shù)情況下下其形式式為(5.33)但是在機(jī)機(jī)器人的的控制中中,位置置指令常常常由系系統(tǒng)前面面的函數(shù)數(shù)形式給給出,如如圖5.17中虛線線表示的的那樣, 將位位置指令令的微分分形式疊疊加到速速度指令令上,同同時采采用了前前饋控制制。這種種復(fù)合控制形式式也是經(jīng)經(jīng)常采用用的。圖5.17位置、速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系5.5機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的控制制5.5.1機(jī)機(jī)器人手手指位置置的確定定圖5.18表示示的是機(jī)機(jī)器人的的位置決決定機(jī)構(gòu)構(gòu)。電動動機(jī)軸的的驅(qū)動力力通過減減速器(齒輪)傳遞到到滾珠絲絲杠,然然后由由滾珠絲絲杠的旋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動動變換成成滾珠螺螺母的直直線運(yùn)動動。這這里對電電動機(jī)軸軸的位置置和速度度進(jìn)行檢檢測

40、,以以取代代對機(jī)器器人手指指的位置置和速度度進(jìn)行測測定,然然后采采用半閉閉環(huán)方式式對執(zhí)行行器進(jìn)行行控制。 因此,將將檢測測出的電電動機(jī)的的電流、速度和和位置傳傳送到控控制器，在控制制器中形形成電壓指令，由驅(qū)動動器進(jìn)行行功率放放大后，再驅(qū)動執(zhí)執(zhí)行電機(jī)機(jī)。圖5.18由機(jī)器人人決定的的位置控控制5.5.2設(shè)設(shè)計方法法可以按照照下列要要求來說說明位置置控制的的設(shè)計方方法:(1)設(shè)設(shè)可移移動范圍圍為300mm,滾珠絲杠杠的節(jié)距距(每一一轉(zhuǎn)的進(jìn)進(jìn)給量)為5mm。(2)設(shè)工件(被搬運(yùn)運(yùn)物體)的最大大質(zhì)量為為9kg。(3)設(shè)確定位位置的精精度為0.01mm。(4)加速和減減速按照照圖5.19表表示的形形式進(jìn)行

41、行。(5)采用直流流電動機(jī)機(jī)。圖5.19速度模式式5.5.3電電動機(jī)1.從從電動機(jī)機(jī)軸的方方向觀察察到的負(fù)負(fù)載轉(zhuǎn)動動慣量JL設(shè)橫向移移動的質(zhì)質(zhì)量m為10kg,其其中工件件的最大大質(zhì)量為為9kg,其其他附附加的質(zhì)質(zhì)量為1kg。電動機(jī)機(jī)一側(cè)齒齒輪的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量量J1=110-2kgcm2, 滾珠珠絲杠及及滾珠絲絲杠一側(cè)側(cè)齒輪的的組合轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量量J2=110-1kgcm2,減速比比為Z1/Z2=110,滾滾珠絲絲杠的節(jié)節(jié)距P為5 mm,于于是,JL可以表示示為(5.34)2.負(fù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩TL接著求施施加到電電動機(jī)上上的負(fù)載載力矩TL。設(shè)動摩摩擦力矩矩Tf為2Ncm, 靜摩摩擦力矩矩Tf0為4Ncm,又

42、又設(shè)電動動機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量量為0.3kgcm2。因為是是在50ms內(nèi)內(nèi)加速到到3000r/min,所以以必須的的加速度度可由下式式計算得得到:(5.35)加速所需需要的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T1可以由下下式求得得:T1=(Jm+JL)=(0.3+0.012)10-46283=19.6 (Nm)(5.36)開始運(yùn)動動時的負(fù)負(fù)載力矩矩T2可以由T1+Tf0求得,于于是得得出:T2=T1+Tf0=19.6+4=23.6(Ncm)加速時的的負(fù)載力力矩T3可以由T1+Tf求得,于是得出出:T3=T1+Tf=19.6+2=21.6(Ncm)恒速時的的負(fù)載力力矩T4可以由Tf構(gòu)成,于是得出出:T4=Tf=2(Ncm)減速時的

43、的負(fù)載力力矩T5可以由-T1+Tf求得,于是得出出:T5=-T1+Tf=-19.6+2=-17.6(Ncm)(5.40)(5.39)(5.38)(5.37)圖5.20負(fù)載力矩矩TL的變化3 .電電動機(jī)機(jī)的選定定當(dāng)電動機(jī)機(jī)的速度度-轉(zhuǎn)矩矩特性由由圖5.21給給出時, 有必必要檢驗驗這個電電動機(jī)是是否滿足足前面的的設(shè)計方方法。由由圖5.20得得知,開開始運(yùn)行行時的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩必須須是23.6Ncm,如果果設(shè)電動動機(jī)的最最大轉(zhuǎn)矩矩為95Ncm,則則充分滿滿足要求求。由圖5.20得得知,加加速運(yùn)行行時的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩必須須是221.6Ncm,由由圖5.21可以看看出,電電動機(jī)在在3000r/min范圍內(nèi)內(nèi)加速或或減

44、速時時,轉(zhuǎn)矩矩的最大大值為37Ncm,所以可可以充分分地滿足足要求。圖5.21電動機(jī)的的速度-轉(zhuǎn)矩曲線線5.5.4驅(qū)驅(qū)動器驅(qū)動器是是對信號號進(jìn)行電電力放大大的電力力放大器器(功率率放大器器)。因因此, 對于于驅(qū)動器器的選擇擇,應(yīng)應(yīng)能最充分分地發(fā)揮揮電動機(jī)機(jī)的性能能。通常,驅(qū)動器的的選擇由由電動機(jī)機(jī)的制造造廠指定定。5.5.5檢檢測位置置用的脈脈沖編碼碼器(PE)和和檢測速速度用的的測速發(fā)發(fā)電機(jī)機(jī)(TG)首先,考考慮脈沖沖編碼器器每一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)內(nèi)的脈脈沖數(shù)目目。設(shè)位位置的確確定精度度為0.01mm。滾滾珠絲杠杠每轉(zhuǎn)一一轉(zhuǎn),滾滾珠螺螺母移動動5mm。減減速比為為Z1/Z2=110。設(shè)設(shè)每一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)對應(yīng)的的脈

45、沖數(shù)數(shù)為x時,則則下式成成立:(5.41)因此,可以采用用50個脈沖轉(zhuǎn)的編編碼器。其次,因因為最最大移動動距離為為300mm,所以滾珠珠絲杠的的轉(zhuǎn)數(shù)為為300/5=60轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。因為為減速比比為110, 所以以電動機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)為600轉(zhuǎn), 脈沖沖編碼器器的脈沖沖數(shù)為60050=30000個脈沖沖。這個個數(shù)目必必須在控控制器能能夠處理理的最大大脈沖數(shù)數(shù)以內(nèi)。 另外,因因最大速速度為3000r/min,故每秒脈脈沖編碼碼器的脈脈沖數(shù)為為(3000/60)50=2500個個脈沖。這個脈脈沖率也也必須小小于控制制器能夠夠處理的的最大脈脈沖率。當(dāng)增加加脈沖編編碼器的脈沖數(shù)數(shù)目時,精度會升升高,但是處理理速度

46、會會變慢。測速發(fā)電電機(jī)(TG)是一種直直流發(fā)電電機(jī),隨隨著從從低速到到高速的的運(yùn)轉(zhuǎn),它能夠夠輸出平平滑的直直流電壓壓。轉(zhuǎn)速速為1000rmin時,它它的輸出出電壓為為23V。在中、高高速的情情況下, 通過過在一定定時間內(nèi)內(nèi)統(tǒng)計脈脈沖編碼碼器產(chǎn)生生的脈沖沖數(shù)目來來進(jìn)行速速度檢測測。在在低速情情況下, 則是是通過在脈沖編編碼器的的脈沖間間隔內(nèi),用統(tǒng)計細(xì)細(xì)小脈沖沖數(shù)目的的方法來來進(jìn)行速速度檢測測。5.5.6直流電動動機(jī)的傳傳遞函數(shù)數(shù)表示法法1.直直流電動動機(jī)的等等效電路路和方框框圖直流電動動機(jī)的等等效電路路可以表表示成圖圖5.22。圖圖中L為線圈的的電感,Li為磁通, 磁通通對時間間的微分分為電壓壓

47、。R為線圈的的電阻。 電壓壓KEm為速度電電動勢, 它是是用常數(shù)數(shù)KE乘速度m得到的。分析結(jié)結(jié)果可以以構(gòu)成電電路方程程式:(5.42)圖 5.22直直流電電動機(jī)的的等效電電路由于存在在L, 因此此電流的的變化比比電壓的的變化滯滯后。當(dāng)當(dāng)考慮不不產(chǎn)生滯滯后問題題的平穩(wěn)穩(wěn)響應(yīng)時時,應(yīng)設(shè)設(shè)L=0。電電動機(jī)產(chǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩m,用常數(shù)數(shù)KT乘電流i可以求得得。當(dāng)負(fù)負(fù)載是由由轉(zhuǎn)動慣慣量JL、具有摩摩擦系數(shù)數(shù)D的摩擦和和外力L構(gòu)成時,其運(yùn)動動方程式式可以表表示成下下式:(5.43)通常,摩擦比較較小,因此多數(shù)數(shù)情況下下可以忽忽略不計計。設(shè)初始條條件為0,對式(5.42)和式(5.43)進(jìn)行拉普普拉斯變變換,可

48、以得到到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)(5.45)式中,I(s)=Li(t),V(s)=Lv(t),(s)=L(t),Tm(s)=LM(t),TL(s)=LL(t),J=JL+Jm圖5.23直流電動動機(jī)的方方框圖2.直直流電動動機(jī)對輸輸入電壓壓的速度度響應(yīng)在圖5.23中中,為為使問題題簡化,設(shè)電感感L、摩擦系系數(shù)D和干擾與與TL(s)均為0。求這這時從輸輸入V(s)到輸出出(s)的傳傳遞函數(shù)數(shù)。由由圖5.23可可以求得得(5.46)(5.47)由式(5.4

49、6)和式(5.47),可以求出出傳遞函函數(shù)式(5.48)當(dāng)電壓V(s)為1/s時(此時時v(t)為單位位階躍函函數(shù),它它在時刻刻tTD時,從從(s)到輸出出(s)的傳遞遞函數(shù)變變?yōu)橄率绞?(5.56)圖5.32 IPD補(bǔ)償后的的速度控控制系統(tǒng)統(tǒng)方框圖圖5.5.11電電流控控制在圖5.23所所示的直直流電動動機(jī)的方方框圖中中,將電電流I(s)進(jìn)行反反饋,并并且將將其與指指令電流流I*(s)進(jìn)行比比較,從從而可可以構(gòu)成成電流控控制。現(xiàn)現(xiàn)在我們們來考慮慮這種控控制,變變量(s)仍采用用原來的的量,從從指令令電流I*(s)到檢測測電流I(s)的傳遞遞函數(shù)可可以求出出為(5.57)在式(5.57)中,

50、當(dāng)增增益Kc十分大時時,I(s)I*(s),于于是圖5.33可以簡簡化成圖圖5.34。這這是因為為由線圈圈的電感感L造成成的電流流相對于于電壓的的滯后, 以及及速度電電動勢KE(s)可以忽忽略。這這時電動動機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩M的響應(yīng)特特性得到到改善, 同時時,防防止電動動機(jī)的過過電流也也變得比比較容易易。在在大多數(shù)數(shù)伺服電電動機(jī)的的控制回回路中, 都采采用了電電流控制制方式。圖5.33增加了電電流控制制的直流流電動機(jī)機(jī)的方框框圖圖5.34因電流控控制而簡簡化的直直流電動動機(jī)的方方框圖用圖5.34中中得到的的結(jié)果, 取代代圖5.25中中的直流流電動機(jī)機(jī),可可以得到到圖5.35。在圖5.35中,從從輸入入

51、*(s)到輸出出(s)的傳遞遞函數(shù), 這時時變成下下式:(5.58)圖5.35加電流控控制后的的速度控控制系統(tǒng)統(tǒng)方框圖圖因為摩擦擦系數(shù)D較小,所所以速速度m(t)變成振振動的, 這從從拉普拉拉斯變換換表中可可以清楚楚地看出出。因因此,如如果設(shè)設(shè)微分環(huán)環(huán)節(jié)1/s為1/s+Kp時,則則傳遞函函數(shù)變成成為下式式:(5.59)當(dāng)在積分分環(huán)節(jié)1/s上增加比比例增益益Kp時,由于于設(shè)置了了1/s+Kp,因此衰衰減常數(shù)數(shù)增大,穩(wěn)穩(wěn)定性隨隨之增加加,這這種性能能的改善善是必要要的。如如果摩摩擦系數(shù)數(shù)D非常小而而可以忽忽略時, 則可可以得到到下式:(5.60)式中,圖5.36表示示了當(dāng)=1時的的階躍響響應(yīng)。但但

52、是,這這里外設(shè)設(shè)力TL(s)為0,即使是是=1,這這里仍仍然發(fā)生生了過調(diào)調(diào)現(xiàn)象, 這是是由式(5.60)中中的零點(diǎn)點(diǎn)造成的的。圖5.36加了電流流控制后后的速度度控制系系統(tǒng)的階階躍響應(yīng)應(yīng)(=1)5.5.12不不產(chǎn)生生速度模模式的位位置控制制到現(xiàn)在為為止,都都是由位位置的偏偏差來計計算速度度模式, 利用用針對指指令速度度的速度度控制系系統(tǒng)實施施位置控控制。這這里,我我們通過過補(bǔ)償環(huán)環(huán)節(jié),根根據(jù)位位置偏差差構(gòu)造指指令速度度,以以說明構(gòu)構(gòu)成速度度控制的的方法。但是, 應(yīng)附附加進(jìn)電電流控制制。在式(5.60)中,如果設(shè)設(shè)速度回回路的響響應(yīng)比位位置回路路的響應(yīng)應(yīng)快得多多,從而而使|s|=|j|n成立,則則式(5.60)可以以簡化為為(s)*(s),補(bǔ)償償環(huán)節(jié)采采用比例例環(huán)節(jié)Kp0。由此得得到的位位置控制制系統(tǒng)如如圖5.37所所示,它它可以以近似地地用一階階系統(tǒng)表表示。圖5.37用一階系系統(tǒng)近似似表示的的位置控控制系統(tǒng)統(tǒng)5.5.13力力控制制因為用常常數(shù)KT乘電流i可以求出出轉(zhuǎn)矩, 所以以對電動動機(jī)轉(zhuǎn)矩矩的控制制可以通通過對電電流的控控制來實實現(xiàn)。正正如在5.5.11節(jié)節(jié)中討論論過的那那樣,如如果進(jìn)進(jìn)行電流流反饋, 就可可以實現(xiàn)現(xiàn)電流控控制。另另外,由由運(yùn)動方方程式(5.61)可可以清楚楚地看出