4、工業(yè)機(jī)器人的控制

1、4、工業(yè)機(jī)器人控制 4.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 4.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能 4.3 工業(yè)機(jī)器人的控制方式 4.4 電動(dòng)機(jī)的控制 4.5 機(jī)械系統(tǒng)的控制 4.1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(gè)空空間開鏈鏈機(jī)構(gòu), 其各各個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)是獨(dú)立立的,為為了實(shí)實(shí)現(xiàn)末端端點(diǎn)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌跡跡,需需要多關(guān)關(guān)節(jié)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)學(xué)及動(dòng)力力學(xué)密切切相關(guān)。機(jī)器人手手足的狀狀態(tài)可以以在各種種坐標(biāo)下下進(jìn)行描描述,應(yīng)應(yīng)當(dāng)根據(jù)據(jù)需要選選擇不同同的參考考坐標(biāo)系系,并并做適當(dāng)當(dāng)?shù)淖?/p>

2、標(biāo)標(biāo)變換。經(jīng)常要要求正向向運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)和反向向運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)的解, 除此此之外還還要考慮慮慣性力力、外外力(包包括重力力)、哥哥氏力及及向心力的影影響。(2)一一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的機(jī)機(jī)器人至至少要有有35個(gè)自由由度,比比較復(fù)復(fù)雜的機(jī)機(jī)器人有有十幾個(gè)個(gè)甚至幾幾十個(gè)自自由度。每個(gè)自由由度一般般包含一一個(gè)伺服服機(jī)構(gòu), 它們們必須協(xié)協(xié)調(diào)起來來,組組成一個(gè)個(gè)多變量量控制系系統(tǒng)。(3)把把多個(gè)個(gè)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(dòng), 甚至至賦予機(jī)機(jī)器人一一定的“智能”,這這個(gè)任務(wù)務(wù)只能由由計(jì)算機(jī)機(jī)來完成成。因因此,機(jī)器人控控制系統(tǒng)統(tǒng)必須是是一個(gè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)。同時(shí),計(jì)算機(jī)軟軟件擔(dān)負(fù)負(fù)著艱巨

3、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(dòng)的數(shù)數(shù)學(xué)模型型是一個(gè)個(gè)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(dòng)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(gè)“最最優(yōu)”的的問題。較高級(jí)的的機(jī)器人人可以用用人工智智能的方方法,用用計(jì)算機(jī)機(jī)建立起起龐大的的信息庫(kù)庫(kù),借借助信息息庫(kù)進(jìn)行行控制、 決策策、管理理和操作作。根根據(jù)傳感感器和模模式識(shí)別別的方

4、法法獲得對(duì)對(duì)象及環(huán)環(huán)境的工工況,按按照給定的的指標(biāo)要要求,自動(dòng)地選選擇最佳佳的控制制規(guī)律。4.2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(dòng)控制制功能4.2.1示示教再現(xiàn)現(xiàn)控制1.示示教及記記憶方式式1)示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(shí)對(duì)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(dòng)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(duì)PTP(點(diǎn)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(shí), 可以以分步編編制程序序,且能能進(jìn)行

5、編編輯、修修改等工工作。但但是在作作曲線運(yùn)運(yùn)動(dòng)而且且位置精精度要求求較高時(shí)時(shí),示教教點(diǎn)數(shù)一一多,示示教時(shí)間間就會(huì)拉拉長(zhǎng),且且在每每一個(gè)示示教點(diǎn)都都要停止止和啟動(dòng)動(dòng),因因而很難難進(jìn)行速速度的控控制。對(duì)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(shí)時(shí),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(huì)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(shí),可可以這這樣來做做:(a)直直接連連接;(b) 先在在A與B

6、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(dòng)的方方式連接接。在CP(連續(xù)軌軌跡控制制方式)控制的的示教中中,由由于CP控制的的示教是是多軸同同時(shí)動(dòng)作作,因因此與PTP控控制不同同,它幾幾乎必須須在點(diǎn)與與點(diǎn)之間間的連線線上移動(dòng)動(dòng),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)雜雜程序取取決于記記憶裝置置的容量

7、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(dòng)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?，F(xiàn)在在,計(jì)計(jì)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(chǔ)器器(RAM)和可可編程只只讀存儲(chǔ)儲(chǔ)器(EPROM)等等半導(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(wú)無(wú)限。2.示示教編程程方式1)手手把手示示教編程程手把手

8、示示教編程程方式主主要用于于噴漆、弧焊等等要求實(shí)實(shí)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(shí)時(shí)由傳感感器檢測(cè)測(cè)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(chǔ)下下這些數(shù)數(shù)據(jù)信息息。實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位位控制,與CP控制不不同的是是,它它只記錄錄各軌跡跡程序移移動(dòng)的兩兩端點(diǎn)位置置,軌跡的運(yùn)運(yùn)動(dòng)速度度則按各各軌跡程程序段對(duì)對(duì)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程程方式是

9、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(dòng)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(dòng)或或多關(guān)節(jié)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)運(yùn)動(dòng),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(gè)帶有有微處理理器的、可隨意意移動(dòng)的的小鍵盤盤,內(nèi)內(nèi)部ROM中固固化有鍵鍵盤掃描描和分析析程序。其功能能鍵一般般具有回回零、示示教方式式、自動(dòng)動(dòng)方式和和參數(shù)方方式等。 示教編程程控制由由于其編編程方便便、裝置置簡(jiǎn)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(shí),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)了許許多新的的控

10、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)。4.2.2工工業(yè)機(jī)器器人的運(yùn)運(yùn)動(dòng)控制制工業(yè)機(jī)器器人的運(yùn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)到另一一點(diǎn)的過過程中, 對(duì)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(dòng)引起起的,因因此,對(duì)對(duì)其運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制實(shí)實(shí)際上是是通過控控制關(guān)節(jié)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)機(jī)器器人關(guān)節(jié)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(dòng)伺服服指令的的生成,即指將末末端執(zhí)行行器在工工作空間間的位置置和姿態(tài)態(tài)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)化為為由關(guān)節(jié)節(jié)變量表表示的時(shí)時(shí)間序列列或表示示為關(guān)節(jié)節(jié)

11、變量隨隨時(shí)間變變化的函函數(shù)。這這一步一一般可離離線完成成。第二步是是關(guān)節(jié)運(yùn)運(yùn)動(dòng)的伺伺服控制制,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。2、主要要控制變變量任務(wù)軸R0：描述工工件位置置的坐標(biāo)標(biāo)系X(t):末端執(zhí)行行器狀態(tài)態(tài)；(t):關(guān)節(jié)節(jié)變量；C(t)：關(guān)節(jié)力力矩矢量量；T(t)：電機(jī)力矩矩矢量；V(t)：電機(jī)電電壓矢量量本質(zhì)是對(duì)對(duì)下列雙雙向方程程的控制制：4.3工業(yè)機(jī)器器人的控控制方式式4.3.1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(shí)只只要求工工業(yè)機(jī)器器

12、人快速速、準(zhǔn)準(zhǔn)確地實(shí)實(shí)現(xiàn)相鄰鄰各點(diǎn)之之間的運(yùn)運(yùn)動(dòng),而而對(duì)達(dá)到到目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(dòng)所需需的時(shí)間間。由于于其控制制方式易易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)、定位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(jiǎn)簡(jiǎn)單,但是,要達(dá)到23m的定位精精度是相相當(dāng)困難難的。4.3.2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)

13、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(dòng),而而且速速度可控控,軌軌跡光滑滑，運(yùn)運(yùn)動(dòng)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(dòng),其其末端端執(zhí)行器器即可形形成連續(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。通常弧弧焊、噴噴漆、去去毛邊和和檢測(cè)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4.3.3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(shí), 除要要準(zhǔn)確定定位之外外,還還要求使使用適度

14、度的力或或力矩進(jìn)進(jìn)行工作作,這這時(shí)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(hào),而而是力力(力矩矩)信號(hào)號(hào),因因此系統(tǒng)統(tǒng)中必須須有力(力矩)傳感器。有時(shí)也利利用接近近、滑動(dòng)等傳傳感功能能進(jìn)行自自適應(yīng)式式控制。4.3.4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(shí),并并根據(jù)據(jù)自身內(nèi)內(nèi)部的知知識(shí)庫(kù)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、

15、遺傳傳算法、專家系系統(tǒng)等人人工智能能的迅速發(fā)展。4.4電動(dòng)機(jī)的的控制4.4.1電電動(dòng)機(jī)的的控制1.機(jī)機(jī)器人中中電動(dòng)機(jī)機(jī)的控制制特征電動(dòng)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、辦辦公儀器器設(shè)備、測(cè)量?jī)x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(dòng)動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)在用途途上的對(duì)對(duì)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?yàn)闄C(jī)器器人的動(dòng)動(dòng)作基本本上是腕腕部的運(yùn)運(yùn)動(dòng),所所

16、以對(duì)對(duì)電動(dòng)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(dòng)時(shí), 電動(dòng)動(dòng)機(jī)的速速度最慢慢;無(wú)負(fù)負(fù)載運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí),電電動(dòng)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(shí)可可以達(dá)到到1100。 此外外,從從電動(dòng)機(jī)機(jī)的輸出出功率考考慮,多多數(shù)為為十瓦(W)到到數(shù)千瓦(kW)的電動(dòng)機(jī)機(jī)。本節(jié)節(jié)只考慮慮小型電電動(dòng)機(jī)的的分類。2.電電動(dòng)機(jī)的的選用電動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)在機(jī)器器人中的的應(yīng)用時(shí)時(shí),應(yīng)應(yīng)主要關(guān)關(guān)注電動(dòng)動(dòng)機(jī)的如如下基本本性能: (1)能能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、連續(xù)的

17、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(shí)時(shí)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)具有良好好的抗干干擾能力力,且相對(duì)于于輸出來來說,體積小,重量輕。3.機(jī)機(jī)器人電電動(dòng)機(jī)的的變換器器對(duì)于直流流電動(dòng)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(duì)對(duì)于交交流電動(dòng)動(dòng)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(duì)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的速速度進(jìn)行行控制, 進(jìn)而對(duì)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的位位置進(jìn)行行控制。圖5.4所示為電電動(dòng)機(jī)的的種類。圖5.4電動(dòng)機(jī)的的種類表5.2概括了了在電動(dòng)動(dòng)機(jī)控制制中采用用的電力力變

18、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(dòng)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(duì)商用用的交流流電進(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(huì)會(huì)引起電電壓的變變動(dòng)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。4.電電動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)和電力

19、力變換器器組合成成的電動(dòng)動(dòng)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, 將商商用電源源的電壓壓、電流流和頻率率進(jìn)行交交換,然然后對(duì)對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)進(jìn)行控控制。電電動(dòng)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(dòng)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(dòng)動(dòng)力,并并用下下式表示示它與電電動(dòng)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

20、kgm,當(dāng)采用這這種單位位時(shí),式(5.1)就變成了了P=1.026lTL(5.2)圖5.5電動(dòng)機(jī)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成成機(jī)器人的的位置控控制由于機(jī)器器人系統(tǒng)統(tǒng)具有高高度非線線性，且且機(jī)械結(jié)結(jié)構(gòu)很復(fù)復(fù)雜，因因此在研研究其動(dòng)動(dòng)態(tài)模型型時(shí)，做做如下假假設(shè)：（1）機(jī)機(jī)器人各各連桿是是理想剛剛體，所所有關(guān)節(jié)節(jié)都是理理想的，不存在在摩擦和和間隙；（2）相相鄰兩連連桿間只只有一個(gè)個(gè)自由度度，或?yàn)闉樾D(zhuǎn)、或?yàn)槠狡揭啤?.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制4.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖伺服電機(jī)機(jī)的參數(shù)數(shù)：4.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制4.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方

21、框圖（1）磁磁場(chǎng)型控控制電機(jī)機(jī)4.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制4.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖Laplace變換得得：4.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制4.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖一般可取取K=0，則則有等效效框圖同時(shí)，傳傳遞函數(shù)數(shù)變?yōu)?.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖：電氣時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)；：機(jī)械時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖由于，有有時(shí)可以以忽略，于是而對(duì)角速速度的傳傳遞函數(shù)數(shù)為：，因?yàn)?.2機(jī)機(jī)器人人的

22、位置置控制5.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖（2）電電樞控制制型電機(jī)機(jī)Ke:產(chǎn)生反反電勢(shì)。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模1、傳遞遞函數(shù)與與等效方方框圖經(jīng)拉氏變變換、并并設(shè)K=0，有有5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模2、直流流電機(jī)的的轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)整誤差信號(hào)號(hào)：5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.1直直流傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的建模2、直流流電機(jī)的的轉(zhuǎn)速調(diào)調(diào)整比例補(bǔ)償償：控制制輸出與與e(t)成比比例；微分補(bǔ)償償：控制制輸出與與de(t)/dt成成比例；積分補(bǔ)償償：控制制輸出與與e(t)dt成比比例；測(cè)速補(bǔ)償償：與輸輸出

23、位置置的微分分成比例例。比例微分分PD補(bǔ)補(bǔ)償：比例積分分PI補(bǔ)補(bǔ)償：比例微分分積分PID補(bǔ)補(bǔ)償：測(cè)速補(bǔ)償償時(shí)：5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.2位位置控制制的基本本結(jié)構(gòu)1、基本本控制結(jié)結(jié)構(gòu)位置控制制也稱位姿控制制、或軌跡控制制。分為：點(diǎn)到點(diǎn)PTP控控制；如如點(diǎn)焊；連續(xù)路徑徑CP控制制；如噴噴漆期望的關(guān)關(guān)節(jié)位置置期期望的工工具位置置和姿態(tài)態(tài)5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.2位位置控制制的基本本結(jié)構(gòu)2、PUMA機(jī)器人的的伺服控控制結(jié)構(gòu)構(gòu) 1）機(jī)器器人控制制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)與一一般計(jì)算算機(jī)控制制系統(tǒng)相相似。2）多數(shù)數(shù)仍采用用連續(xù)系系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì)方法法設(shè)計(jì)控控制器，然后再再將設(shè)計(jì)計(jì)好的控控制律離離散化

24、，用計(jì)算算機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。3）現(xiàn)有有的工業(yè)業(yè)機(jī)器人人大多數(shù)數(shù)采用獨(dú)獨(dú)立關(guān)節(jié)節(jié)的PID控制制。下圖PUMA機(jī)機(jī)器人的的伺服控控制系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.2位位置控制制的基本本結(jié)構(gòu)2、PUMA機(jī)器人的的伺服控控制結(jié)構(gòu)構(gòu)5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器1、位置置控制系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)具有力、位移、速度反反饋5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器1、位置置控制系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)控制器路路徑點(diǎn)的的獲取方方式：（1）以以數(shù)字形形式輸入入系統(tǒng)；若以直直角坐標(biāo)標(biāo)給出，須計(jì)算算獲得其關(guān)節(jié)節(jié)坐標(biāo)位位置。（2）以以示教方方式輸入入系統(tǒng)；系統(tǒng)將將直接獲獲得關(guān)節(jié)節(jié)坐

25、標(biāo)位位置允許機(jī)器器人只移移動(dòng)一個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)，而鎖住住其他關(guān)關(guān)節(jié)。軌跡控制制：按關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)或軌跡跡進(jìn)行定定位控制制。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)對(duì)圖示系系統(tǒng)，有有J：等效轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量；B：等效阻尼尼系數(shù)。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)因此可得得其傳遞遞函數(shù)（同電樞樞控制直直流伺服服電機(jī)）5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)其開

26、環(huán)傳傳遞函數(shù)數(shù)為：因?yàn)椋海匀トm的項(xiàng)，簡(jiǎn)簡(jiǎn)化上式式為：5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)則其閉環(huán)環(huán)傳遞函函數(shù)為：這是一個(gè)個(gè)典型的的二階系系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)傳遞函函數(shù)。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器2、單關(guān)關(guān)節(jié)控制制器的傳傳遞函數(shù)數(shù)含有速度度反饋的的機(jī)械手手單關(guān)節(jié)節(jié)控制器器的開環(huán)環(huán)傳遞函函數(shù)為閉環(huán)傳遞遞函數(shù)為為5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器3、控制制參數(shù)確確定與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差（1）的的確定由

27、上述閉閉環(huán)傳遞遞函數(shù)，得控制制系統(tǒng)的的特征方方程為：將其寫為為二階系系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)形式得5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器3、控制制參數(shù)確確定與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差（1）的的確定5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器3、控制制參數(shù)確確定與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差（1）的的確定5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)位位置控制制器3、控制制參數(shù)確確定與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差（1）的的確定設(shè)結(jié)構(gòu)的的共振頻頻率為，則為為避免運(yùn)運(yùn)動(dòng)中發(fā)發(fā)生共振振，要求求同時(shí)要求求系統(tǒng)阻阻尼大于于1，J值隨負(fù)負(fù)載和位位姿變化化，應(yīng)選選可能的的最大慣慣量。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.3單單關(guān)節(jié)

28、位位置控制制器3、控制制參數(shù)確確定與穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差（2）穩(wěn)穩(wěn)態(tài)誤差差根據(jù)控制制理論，在控制制系統(tǒng)框框圖中，計(jì)算得得到E(s),即可得得到系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)態(tài)位置誤誤差、速速度誤差差和加速速度誤差差。對(duì)于單位位階越位位移C0，其穩(wěn)態(tài)態(tài)誤差為為5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.4多多關(guān)節(jié)位位置控制制器1）為快快速運(yùn)動(dòng)動(dòng)，一般般應(yīng)采用用多關(guān)節(jié)節(jié)協(xié)調(diào)、同步運(yùn)運(yùn)動(dòng)。2）這時(shí)時(shí)各關(guān)節(jié)節(jié)的位置置和速度度會(huì)互相相作用，因此，必須進(jìn)進(jìn)行附加加補(bǔ)償。1、動(dòng)態(tài)態(tài)拉格朗朗日公式式其他關(guān)節(jié)節(jié)加速自自身身加速科科式式力重重力且D項(xiàng)皆皆與關(guān)節(jié)節(jié)角有關(guān)關(guān)。5.2機(jī)機(jī)器人人的位置置控制5.2.4多多關(guān)節(jié)位位置控制制器 5.4.2電電

29、動(dòng)機(jī)速速度的控控制1.直直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)的速速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)依據(jù)據(jù)圖5.4中表表示的磁磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)機(jī)等類型型。在機(jī)機(jī)器人中中，他他激電動(dòng)動(dòng)機(jī)中采用永久久磁鐵的的電機(jī)用得較多多，所以以本節(jié)只只對(duì)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(dòng)動(dòng)機(jī)的速速度為m(rads),電電動(dòng)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(dòng)動(dòng)勢(shì)系數(shù)數(shù)為KE時(shí),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(jì);但但在外加加電壓比比較小的

30、的電動(dòng)機(jī)機(jī)中,則則必須須予以考考慮。另另一方面面,對(duì)對(duì)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(shí),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(jì),但是當(dāng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)機(jī)的輸出出比較小小時(shí),就就不能能忽略不不計(jì)。于于是,從從上述兩兩式中消消去電樞樞電流后后,電動(dòng)動(dòng)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,電動(dòng)機(jī)的的速度相相對(duì)于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩成直直線關(guān)系系減小, 其減減小的比比例顯然然由電樞樞的電阻阻、電動(dòng)動(dòng)勢(shì)系數(shù)數(shù)和轉(zhuǎn)矩矩系數(shù)決決定。另另外,在在表5.3中中表

31、示了了三種直直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)產(chǎn)品目錄錄,它它們是一一些具有有代表性性的產(chǎn)品品。這里里若以電電動(dòng)機(jī)B為例, 首先先應(yīng)注意意式(5.3)中的單單位,再再將額額定值代代入式(5.3),于于是可可以確定定電刷上上的電壓壓降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(shí),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(gè)電電動(dòng)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(gè)電動(dòng)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(dòng)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度為為2200r/

32、min時(shí),對(duì)對(duì)這個(gè)個(gè)電動(dòng)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(jì)算得到到,其值為一般來說說,對(duì)于于機(jī)器人人,由于于動(dòng)作和和姿態(tài)的的不同, 對(duì)電電動(dòng)機(jī)的的速度和和轉(zhuǎn)矩的的要求也也不同,因此,電動(dòng)機(jī)的的外加電電壓和電電流也必必須時(shí)刻刻作相應(yīng)應(yīng)的變化化。 另外,直直流電電動(dòng)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(dòng)機(jī)原原來的控控制特性性,消消除因電電刷和整整流子引引發(fā)的問問題,已已經(jīng)開發(fā)發(fā)出無(wú)刷刷直流電電動(dòng)機(jī),并且正

33、正在進(jìn)入實(shí)實(shí)用化階階段。圖 5.6直直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)速度度與轉(zhuǎn)矩矩特性2.直直流電動(dòng)動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)B的速速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系。圖圖5.6表示的的是改變變端電壓壓U時(shí), 得到到的直流流電動(dòng)機(jī)機(jī)速度與與轉(zhuǎn)矩特特性。在在圖5.6中, 速度度和轉(zhuǎn)矩矩都用相相對(duì)于額額定值的的百分率率來表示示。由這這個(gè)圖可可以明顯顯地看出出,由于于一方面面要產(chǎn)生生期望的的轉(zhuǎn)矩,另一方方面還要實(shí)現(xiàn)期期望的速速度,因此必須須對(duì)端電電壓進(jìn)行行調(diào)整。圖5.7是一個(gè)個(gè)可用于于可逆運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)的四象限短短路器原原理圖。在圖中中的四個(gè)個(gè)開關(guān)中中,當(dāng)S1與S4接通時(shí),P、Q點(diǎn)的電位位分別變變

34、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(shí)時(shí),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(shí),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(shí),端子上上的電壓壓為0。因此,當(dāng)按照照?qǐng)D(b)中那那樣實(shí)施施對(duì)開關(guān)關(guān)的接通通與斷開開時(shí),端端子上的的電壓將將會(huì)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(gè)個(gè)開關(guān)一一同接通通的時(shí)間間T1, 與周周期T的的比為流通率d, 即(5.7)圖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

35、決定流通通率。電動(dòng)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(gè)個(gè)斷路器器,可可以使電電源與電電動(dòng)機(jī)上上電流的的流動(dòng)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, 隨后后接通S2和S3, 根據(jù)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(dòng)動(dòng)機(jī)的速速度與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的關(guān)關(guān)系感應(yīng)電動(dòng)動(dòng)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(dòng)機(jī)那那樣簡(jiǎn)單單。頻頻率為f(Hz)的三相相交流電電,在在級(jí)數(shù)為為2p(極對(duì)數(shù)數(shù)為p)的三相相感應(yīng)電電動(dòng)機(jī)中中,產(chǎn)產(chǎn)生的旋旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)場(chǎng)的速度度被稱為為同步速速度,它它可以

36、由由下式求求出:(5.9)感應(yīng)電動(dòng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)單單相部分分的等效效電路4.感感應(yīng)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的速速度的控控制由前面的的式(5.10)可知知,在在改變感感應(yīng)電動(dòng)動(dòng)機(jī)

37、的速速度時(shí), 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(lì)磁磁電壓E時(shí),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(shí)時(shí)的電流流與轉(zhuǎn)矩矩特性5.4.3電電動(dòng)機(jī)和和機(jī)械的的動(dòng)態(tài)特特性分析析1.電電動(dòng)機(jī)和和機(jī)械的的動(dòng)態(tài)特特性的表表示如果電動(dòng)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生生的轉(zhuǎn)矩矩Tm大于負(fù)載載的

38、反作作用轉(zhuǎn)矩矩TL, 則會(huì)會(huì)產(chǎn)生加加速運(yùn)動(dòng)動(dòng);反反之,則則會(huì)產(chǎn)生生減速運(yùn)運(yùn)動(dòng);如如果兩兩者處于于平衡狀狀態(tài),則則系統(tǒng)統(tǒng)會(huì)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(dòng)動(dòng)機(jī)軸上上的全部部轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)個(gè)機(jī)械系系統(tǒng)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)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(dòng)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(shí),則則齒數(shù)數(shù)比定義義如下:(5.17)這時(shí),負(fù)載一側(cè)側(cè)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程式式變成式式(5.16)的形式,且可以寫寫成

39、(5.18)從電動(dòng)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(shí)電電動(dòng)機(jī)的的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)式(5.16)中中的J、D進(jìn)行設(shè)置置。此外外,在在實(shí)際計(jì)計(jì)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(dòng)動(dòng)機(jī)的啟啟動(dòng)和停停止圖5.12表示示了電動(dòng)動(dòng)機(jī)的加加減速狀狀態(tài)。直直流電動(dòng)動(dòng)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(shí),運(yùn)動(dòng)方方程式可可以根據(jù)據(jù)式(5.4)和式(5.16)得得到,并并且可可以表示成成(5.20)將上式從從時(shí)間t1到時(shí)間t2進(jìn)行積

40、分分,得到關(guān)系系式(5.21)圖5.12電動(dòng)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(dòng)時(shí)時(shí)間TS,于是在在式(5.21)中, 當(dāng)設(shè)設(shè)1=0時(shí), 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(dòng)而而選定電電動(dòng)機(jī)時(shí)時(shí),選選擇轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量小小且轉(zhuǎn)矩矩系數(shù)大大的電動(dòng)動(dòng)機(jī)比較較好?；谶@這種原因因,機(jī)機(jī)器人用用的電動(dòng)動(dòng)機(jī)大都都選用細(xì)細(xì)長(zhǎng)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(dòng)動(dòng)機(jī)時(shí), 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(shí)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(dòng)動(dòng)機(jī)的啟啟動(dòng)和停停止式(5.15)是根據(jù)據(jù)勵(lì)磁電電壓計(jì)算算出的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,

41、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(lì)磁電電壓將會(huì)會(huì)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(duì)對(duì)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(dòng)機(jī)機(jī)的無(wú)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(dòng)方程程式:(5.26)在圖5.12中中,如果果對(duì)時(shí)間間t1的速度1(轉(zhuǎn)差率率s1)到時(shí)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,

42、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(shí)的啟啟動(dòng)時(shí)間間Ts, 可以以由下式式求得:(5.28)5.4.4正正確控制制動(dòng)態(tài)特特性1.力力控制為了能對(duì)對(duì)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(cè)器, 以構(gòu)構(gòu)成一個(gè)個(gè)反饋系系統(tǒng)。但但要得到到性價(jià)比比高、體體積小、頻率特特性好的的轉(zhuǎn)矩檢檢測(cè)器則則比較困困難。另外,在在直流他他激電機(jī)機(jī)、無(wú)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(jià)格格低、體積小、頻率特性性好,所以這種種電流傳傳感器在在實(shí)踐中

43、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(dòng)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(dòng)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(shí)際際的電動(dòng)動(dòng)機(jī)電流流i與i*基本一致致,那那么電動(dòng)動(dòng)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(cè)得得到的實(shí)實(shí)際電動(dòng)動(dòng)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(hào)SW和i的大小關(guān)關(guān)系,生生成斷斷路器的的開關(guān)關(guān)信號(hào)。三角波波比較法法的原理

44、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(hào)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(hào)的流流通率增增大,電電動(dòng)機(jī)外外加電壓壓上升,i增大。當(dāng)當(dāng)i過分分增大時(shí)時(shí),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(duì)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的式(5.16)中研研究了機(jī)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程, 這里

45、里當(dāng)我們們忽略黏黏性摩擦擦系數(shù), 且相相對(duì)于負(fù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩電動(dòng)機(jī)機(jī)產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩增增加時(shí), 加速速度變?yōu)闉檎? 電動(dòng)動(dòng)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(shí),加加速度度變?yōu)樨?fù)負(fù)值,電電動(dòng)機(jī)機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度下下降。電電動(dòng)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(shí)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(cè)測(cè)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(cè)出電電動(dòng)機(jī)的的旋轉(zhuǎn)速速度。這這個(gè)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

46、使使速度指指令與實(shí)實(shí)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(duì)Kp與K1的選定, 可以以實(shí)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(dòng)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(dòng)全全部換算算到電動(dòng)動(dòng)機(jī)軸上上,則可可以理解解,最終終會(huì)以下列列電動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速的的積分形形式求出出位置

47、:(5.32)因此,為為了使實(shí)實(shí)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(duì)電動(dòng)動(dòng)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(duì)對(duì)編碼器器檢測(cè)出出的電動(dòng)動(dòng)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(duì)對(duì)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

48、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(shí)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(dòng)動(dòng)機(jī)軸的的驅(qū)動(dòng)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(dòng)動(dòng)變換成成滾珠螺螺母的直直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)。這這里對(duì)電電動(dòng)機(jī)軸軸的位置置和速度度進(jìn)行檢檢測(cè),以以取代代對(duì)機(jī)器器人手指指的位置置和速度度進(jìn)行測(cè)測(cè)定,然

49、然后采采用半閉閉環(huán)方式式對(duì)執(zhí)行行器進(jìn)行行控制。 因此,將將檢測(cè)測(cè)出的電電動(dòng)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(dòng)動(dòng)器進(jìn)行行功率放放大后，再驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)方方法:(1)設(shè)設(shè)可移移動(dòng)范圍圍為300mm,滾滾珠絲杠杠的節(jié)距距(每一一轉(zhuǎn)的進(jìn)進(jìn)給量)為5mm。(2)設(shè)設(shè)工件件(被搬搬運(yùn)物體體)的最最大質(zhì)量量為9kg。(3)設(shè)設(shè)確定定位置的的精度為為0.01mm。(4)加加速和和減速按按照?qǐng)D5.19表示的的形式進(jìn)進(jìn)行。(5)采用直流流電動(dòng)機(jī)機(jī)。圖5.19速度模

50、式式5.5.3電電動(dòng)機(jī)1.從從電動(dòng)機(jī)機(jī)軸的方方向觀察察到的負(fù)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量JL設(shè)橫向移移動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)一側(cè)齒齒輪的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)上上的負(fù)載載力矩TL。設(shè)動(dòng)摩摩擦力矩矩Tf為2Ncm, 靜摩摩擦力矩矩Tf0為4Ncm,又又設(shè)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量為0.3kgcm2。

51、因?yàn)槭鞘窃?0ms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(jì)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(dòng)動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的的負(fù)載力力矩T5可以由-T1+Tf求得,于是得

52、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(dòng)機(jī)機(jī)的選定定當(dāng)電動(dòng)機(jī)機(jī)的速度度-轉(zhuǎn)矩矩特性由由圖5.21給給出時(shí), 有必必要檢驗(yàn)驗(yàn)這個(gè)電電動(dòng)機(jī)是是否滿足足前面的的設(shè)計(jì)方方法。由由圖5.20得得知,開開始運(yùn)行行時(shí)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩必須須是23.6Ncm,如果果設(shè)電動(dòng)動(dòng)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(shí)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩必須須是21.6Ncm,由由圖5.21可可以看出出,電動(dòng)動(dòng)機(jī)在3000r/min范范圍內(nèi)加加速或減減速時(shí),轉(zhuǎn)矩的的最大值值為37Ncm,所所以可以

53、以充分地地滿足要要求。圖5.21電動(dòng)機(jī)的的速度-轉(zhuǎn)矩曲線線5.5.4驅(qū)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是是對(duì)信號(hào)號(hào)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(duì)于于驅(qū)動(dòng)器器的選擇擇,應(yīng)應(yīng)能最充分分地發(fā)揮揮電動(dòng)機(jī)機(jī)的性能能。通常,驅(qū)動(dòng)器的的選擇由由電動(dòng)機(jī)機(jī)的制造造廠指定定。5.5.5檢檢測(cè)位置置用的脈脈沖編碼碼器(PE)和和檢測(cè)速速度用的的測(cè)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(dòng)動(dòng)5mm。減減速比為為Z1/Z2=110。設(shè)設(shè)每一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的的脈沖數(shù)數(shù)為x時(shí),則則下式成成立:(5.41)因此

54、,可以采用用50個(gè)脈沖轉(zhuǎn)的編編碼器。其次,因因?yàn)樽钭畲笠苿?dòng)動(dòng)距離為為300mm,所以滾滾珠絲杠杠的轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)為300/5=60轉(zhuǎn)。因因?yàn)闇p速速比為110,所所以電動(dòng)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)為600轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),脈脈沖編碼碼器的脈脈沖數(shù)為為60050=30 000個(gè)脈脈沖。這這個(gè)數(shù)目目必須在在控制器器能夠處處理的最最大脈沖沖數(shù)以內(nèi)內(nèi)。另外,因因最大速速度為3000r/min, 故每每秒脈沖沖編碼器器的脈沖沖數(shù)為(3000/60)50=2500個(gè)脈脈沖。這這個(gè)脈沖沖率也必必須小于于控制器器能夠處處理的最最大脈沖沖率。當(dāng)當(dāng)增加脈脈沖編碼碼器的脈沖數(shù)數(shù)目時(shí),精度會(huì)升升高,但是處理理速度會(huì)會(huì)變慢。測(cè)速發(fā)電電機(jī)(TG)是是一種直

55、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(shí), 它的的輸出電電壓為23V。在中中、高速速的情況況下,通通過在在一定時(shí)時(shí)間內(nèi)統(tǒng)統(tǒng)計(jì)脈沖沖編碼器器產(chǎn)生的的脈沖數(shù)數(shù)目來進(jìn)進(jìn)行速度度檢測(cè)。 在低低速情況況下,則則是通通過在脈沖編編碼器的的脈沖間間隔內(nèi),用統(tǒng)計(jì)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(cè)測(cè)。5.5.6直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)的傳傳遞函數(shù)數(shù)表示法法1.直直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)的等等效電路路和方框框圖直流電動(dòng)動(dòng)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(duì)時(shí)間間的微分分為電壓壓。R為線圈的的電阻。 電壓壓KEm為

56、速度電電動(dòng)勢(shì), 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(dòng)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(shí)時(shí),應(yīng)設(shè)設(shè)L=0。電電動(dòng)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(dòng)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(shí),其運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(jì)計(jì)。設(shè)初始條條件為0,對(duì)式(5.42)和式(5.43)進(jìn)行拉普普拉斯變變換,可以得到到V(s)=(sL+R)I(s

57、)+KE(s)(5.44)(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+JmKTI(s) =(sJ+D)(s)+TL(s)圖5.23直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)的方方框圖2.直直流電動(dòng)動(dòng)機(jī)對(duì)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(jiǎn)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(shí)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(5.46)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(shí)(此時(shí)時(shí)v(t)為單位位階

58、躍函函數(shù),它它在時(shí)刻刻tTD時(shí),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(dòng)動(dòng)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?，F(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(cè)測(cè)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, 當(dāng)增增益Kc十分大時(shí)時(shí),I(s)I*(s),于于是圖5.33可以簡(jiǎn)簡(jiǎn)化成圖圖5.34。這這是因?yàn)闉橛删€圈圈

59、的電感感L造成成的電流流相對(duì)于于電壓的的滯后, 以及及速度電電動(dòng)勢(shì)KE(s)可以忽忽略。這這時(shí)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩M的響應(yīng)特特性得到到改善, 同時(shí)時(shí),防防止電動(dòng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)的方框框圖圖5.34因電流控控制而簡(jiǎn)簡(jiǎn)化的直直流電動(dòng)動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī),可可以得到到圖5.35。在圖5.35中,從從輸入入*(s)到輸出出(s)的傳遞遞函數(shù), 這時(shí)時(shí)變成下下式:(5.58)圖5.35加電流控控制后的的速度控控制

60、系統(tǒng)統(tǒng)方框圖圖因?yàn)槟Σ敛料禂?shù)D較小,所所以速速度m(t)變成振振動(dòng)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(shí),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(shí),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(shí), 則可可以得到到下式:(5.60)式中,圖5.36表示示了當(dāng)=1時(shí)的的階躍響響應(yīng)。但但是,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