機器人學 哈工大

機器人學哈工大第1頁/共255頁§1.1.1機器人的定義美國機器人協(xié)會（RIA）定義日本機器人協(xié)會（JIRA）定義中國機器人定義（蔣新松）國際標準化組織（ISO）定義共同屬性：1）象人或人的一部分，并模仿人的動作

2）具有智能或感覺與識別能力

3）是人制造的機器或機械電子裝置第2頁/共255頁§1.1.2機器人的發(fā)展歷史

古代人們期望生產(chǎn)機器替代人類勞動。

1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小說《羅素姆的萬能勞工（UniversalRobot）》首次使用機器人詞。

Capek夢想著有這樣的情況，即生物過程可以創(chuàng)造出類人的機器，他們雖然缺乏感情和靈魂，但他們身體強壯并服從主人的命令，而且這些機器能夠快速而廉價地生產(chǎn)出來。

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機器人市場很快發(fā)展起來：1.軍用機器人：很多國家都想用成百上千的機器人士兵裝備軍隊，為他們賣命，即使傷亡也不足惜。2.工業(yè)機器人：“鐵領工人”3.娛樂機器人：機器人玩具4.服務機器人：護士助手、機器人廚師….

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機器人主要基于大規(guī)模生產(chǎn)考慮主要有以下兩個原因：

1、勞動強度

2、盡量使用機器人完成簡單、重復的作業(yè)以降低成本。

1950年，Asimov在其出版的《我，機器人》一書中，給機器人定下了三原則：

1、不傷害人類；

2、在原則一下服從人給出的命令；

3、在與上兩個原則不矛盾的前提下保護自身第5頁/共255頁

1953年：MIT研制成功第一臺數(shù)控銑床

機械手+NC技術

—>第一臺工業(yè)機器人的產(chǎn)生

1954年：美國人George.C.Devol申請“可編程序的關節(jié)型搬運裝置”發(fā)明專利

1958年：約瑟夫恩格爾伯格購買了德沃爾的專利，創(chuàng)造了世界上第一個制造機器人的公司—Unimation1959年：推出了第一臺示教再現(xiàn)式的(Teaching-Playback)PUMA機器人

1961年：Unimation公司生產(chǎn)出第一臺工業(yè)機器人定名為Unimate，62年在GM公司應用第6頁/共255頁1967年：豐田和川崎重工引進美國的Unimate和Versatran機器人1968年：通用汽車公司定購68臺工業(yè)機器人1976年：CincinnctiMilacron公司進入工業(yè)機器人市場，廣受歡迎1983機器人學無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在學術上都是一門受歡迎的學科，開始列入教學計劃80年代日本機器人在世界占主要地位，占世界總產(chǎn)量的一半以上1994年底全世界工業(yè)機器人已發(fā)展到60萬臺2001年底全世界實際裝備工業(yè)機器人102萬臺第7頁/共255頁第8頁/共255頁

40年代末期美國阿爾貢國家實驗室遙控機械手的發(fā)展用于操作放射性材料(遙控式、雙向主從式機械手)

第9頁/共255頁有關機器人重要術語機器人（robot）：可編程的多功能操作裝置，通過可變的、預先編程的運動完成各種任務。遙控手（teleoperator）：遠程操作控制進行工作的機器人叫遙操作機器人。可行走機器人（mobilerobot）：機座可運動的機器人。機器人學（robotics）：關于設計、制造和應用機器人的一門學科。第10頁/共255頁（a）Kuhnezug車載起重機；(b)FanucS-500機器人在卡車上執(zhí)行焊縫任務

第11頁/共255頁機器人操作手與起重機進行比較：相似之處（結構、驅動、負載、控制器）具有許多連桿，這些連桿通過關節(jié)依次連接；這些關節(jié)由驅動器驅動（電機）；操作機的“手”都能在空中運動，達到工作空間的任何位置，并承載一定的負荷；都用一個中央控制器控制驅動器。不同之處（控制源、名稱）起重機是由人來控制驅動器機器人操作手是由計算機編程控制。動作受計算機監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型程序。程序改變，機器人動作就會相應改變。一個稱為機器人，一個稱為操作機。第12頁/共255頁§1.2機器人的特點、結構及分類

一、機器人的主要特點（通用性、適應性）機器人的特點包括如下兩方面內(nèi)容：

1．通用性 機器人的通用性取決于它的幾何特性和機械能力。即指執(zhí)行不同功能完成同一任務的能力和完成多樣不同簡單任務的能力?；蛘哒f在機械結構上允許機器人執(zhí)行不同的任務或以不同的方式完成同一任務。決定通用性有兩方面因素：一個是機器人自由度；另一個是末端執(zhí)行器的結構和操作能力。第13頁/共255頁

2．適應性 機器人的適應性是指其對環(huán)境的自適應能力，即要求所設計的機器人能夠自我執(zhí)行并適應未經(jīng)完全指定的任務，而不管任務執(zhí)行過程中是否發(fā)生了所沒有預計到的環(huán)境變化。這一能力要求機器人具有人工知覺，即能感知周圍環(huán)境。在這個層次上，機器人運用它的下述能力：

(1)使用傳感器感測環(huán)境的能力；

(2)分析任務空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；

(3)自動指令模式的能力。第14頁/共255頁

根據(jù)具體作業(yè)對象不同，機器人適應性主要考慮三種適應性：

(1)點適應性：即如何找到點的位置。

(2)曲線適應性：即如何利用傳感器得到的信息(或特殊結構、材料等)沿曲面工作。

(3)速度適應性：選擇最佳運動速度。（與倒立擺類似的兩輪機器人）第15頁/共255頁二、機器人的結構組成

四大組成部分?執(zhí)行機構?驅動單元?控制系統(tǒng)?智能系統(tǒng)第16頁/共255頁

執(zhí)行機構

執(zhí)行機構是機器人完成工作任務的機械實體一般為“機械手臂+末端操作器”

機械手臂manipulator：一般為由桿件機構和關節(jié)機構組成的空間開鏈機構常常進一步細分為機座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector

：按作業(yè)用途定（是機器人完成特定作業(yè)的關鍵裝置）第17頁/共255頁

驅動單元

包括驅動器、運動件和傳動機構驅動器：電機（步進電機、伺服電機、DD電機）、氣缸、液壓缸、新型驅動器。傳動機構：諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動、繩傳動、各種齒輪傳動及液力傳動。運動件：機器人本體上的各運動體。第18頁/共255頁

控制系統(tǒng)

一般由控制計算機、驅動裝置和伺服控制器（servocontroller）組成

控制計算機：根據(jù)作業(yè)要求接受編程發(fā)出指令控制協(xié)調(diào)運動并根據(jù)環(huán)境信息協(xié)調(diào)運動

伺服控制器：控制各關節(jié)的驅動器使其按一定的速度加速度和軌跡要求進行運動第19頁/共255頁

智能系統(tǒng)

正在發(fā)展中智能機器人除運動機能外還有如下三種機能

感知機能：獲取外部環(huán)境信息以便進行自我行動決策和監(jiān)視的機能，視覺傳感器是當前發(fā)展的重點

思維機能：求解問題的認識推理和判斷機能——人工智能

人—機通信機能：理解指示命令輸出內(nèi)部狀態(tài)與人進行信息交換的機能第20頁/共255頁三、機器人的分類

1、按機器人結構形式

一般工業(yè)機器人為6個自由度前三個稱為手臂機構后三個稱為手腕機構。根據(jù)手臂機構的運動付不同形式的組合得到不同的機器人機構形式。(1)直角坐標式(Cartesian)符號表示PPP第21頁/共255頁(2)圓柱坐標式(Cylindrical)符號表示RPP

第22頁/共255頁(3)球坐標式(Spherical)符號表示RRP

第23頁/共255頁(4)多關節(jié)式(Jointed)符號表示RRR

第24頁/共255頁第25頁/共255頁(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)關節(jié)軸線全平行由日本山梨大學牧野洋教授首先提出

第26頁/共255頁本課程案例教學機器人第27頁/共255頁2、按機器人控制方式

(1)非伺服控制機器人：這種機器人按照事先編好的程序進行工作，使用限位開關、制動器、插銷板和定序器控制機器人的工作。主要涉及“終點”、“抓放”或“開關”式機器人，尤其是有限順序機器人。

(2)伺服控制機器人：通過反饋傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的給定信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅動裝置，并帶動末端執(zhí)行裝置以一定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)所要求的作業(yè)。

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伺服控制分為點位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制兩種。

點位伺服控制：機器人以最快和最直接的路徑（省時省力）從一個端點移到另一個端點。通常用于重點考慮終點位置，而對中間的路徑和速度不做主要限制的場合。實際工作路徑可能與示教時不一致。

連續(xù)軌跡伺服控制：機器人能夠平滑地跟蹤某個規(guī)定的路徑。第29頁/共255頁3．按機器人的信息輸入方式日本工業(yè)機器人協(xié)會把機器人分為六類：1)手動操作手：由操作人員直接進行操作的有幾個自由度的加工裝置；2)定序機器人：按預定的順序、條件和位置，逐步地重復執(zhí)行給定的作業(yè)任務，其預定信息難以修改；3)變序機器人：和第二類一樣，但預定信息易于修改；4)示教式機器人：能夠按照記憶裝置存儲的信息復現(xiàn)事先由人示教的動作，且這些示教的動作能夠自動重復地進行；5)程控機器人：能夠通過提供的運動程序，執(zhí)行給定的任務；6)智能機器人：通過感知信息獨立檢測工作環(huán)境或工作條件的變化，借助機器人本身的自我決策能力，進行相應的工作。它不受工作環(huán)境或工作條件變化的影響。

美國只將后四種定義為機器人。第30頁/共255頁§1.3機器人自由度、關節(jié)及坐標系一、機器人的自由度確定點在空間位置—三個坐標。確定剛體（三維物體，不是一個點）在空間位置—六個坐標（三個確定空間位置，三個確定空間姿態(tài)）。需要六個自由度才能將物體放到空間任意指定位姿（即位置和姿態(tài)）。少于六個自由度，機器人的能力將受到相應限制（自由度越少，限制越多）。第31頁/共255頁

1）三自由度機器人只能沿X、Y、Z軸運動不能指定機械手姿態(tài)

2）五自由度機器人

X、Y、Z移動和繞X、Y的轉動（焊接、磨削機器人，不要求Z軸轉動）

3）七自由度機器人解無窮多，要有附加決策程序使機器人從這些解中選擇一個。（檢驗所有解，根據(jù)決策找出所求解，實際生產(chǎn)不用）第32頁/共255頁

1、將一個圓柱形零件放置在平板上，機器人應具有幾個自由度？

2、人的手臂（包括肩、肘、腕）有幾個自由度？思考題第33頁/共255頁二、機器人的關節(jié)

1、直線移動關節(jié)

2、轉動關節(jié)（驅動方式）第34頁/共255頁滑動關節(jié)用P表示旋轉關節(jié)用R表示球型關節(jié)用S表示機器人構型通?？捎靡幌盗械腜,R,S來描述

思考題三滑動關節(jié)，三旋轉關節(jié)怎樣表示？答案：3P3R三、機器人的坐標

第35頁/共255頁四、機器人的坐標系

機器人運動學中通常定義以下三種坐標系：

1、全局參考坐標系：此時，機器人是通過各關節(jié)的組合運動產(chǎn)生沿X、Y、Z三個坐標軸直線運動和繞他們的轉動。

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2、關節(jié)參考坐標系：此時，機器人是通過各關節(jié)獨立運動產(chǎn)生期望運動。

3、工具參考坐標系：是一個活動坐標系，隨機器人手運動而隨之運動，在機器人控制中，它便于對機器人靠近、離開物體或安裝零件進行編程。第37頁/共255頁§1.4SCARA教學機器人

SCARA教學機器人為平面關節(jié)型機器人，具有3個旋轉關節(jié)，其軸線相互平行，可在平面內(nèi)進行定位和定向。另一個關節(jié)是移動關節(jié)，用于完成末端件在垂直平面的運動。

第38頁/共255頁一、機器人特點1.機構采用平面關節(jié)型（SCARA）結構，按工業(yè)標準要求設計，速度快、柔性好；2.采用交流伺服電機和諧波減速器等，模塊化結構，簡單、緊湊；3.控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，二次開發(fā)方便、快捷，適于教學實驗；4.提供通用機器人語言編程系統(tǒng)，可通過圖形示教自動生成機器人語言等程序；5.內(nèi)容涵蓋機器人運動學、動力學、控制系統(tǒng)的設計、機器人軌跡規(guī)劃等。第39頁/共255頁二、機器人參數(shù)結構形式平面關節(jié)式（SCARA型）負載能力1kg運動精度（脈沖當量/轉）關節(jié)110000關節(jié)210000關節(jié)31600pulse/mm關節(jié)43200未端重復定位精度±0.1mm每軸最大運動范圍關節(jié)10~270°關節(jié)20~200°關節(jié)30~60mm關節(jié)40~345°每軸最大運動速度關節(jié)10.5rad/S關節(jié)20.5rad/S關節(jié)36mm/S關節(jié)43.14rda/S第40頁/共255頁最大展開半徑335mm高度480mm本體重量≤25Kg幾何尺寸關節(jié)1（長度）200mm關節(jié)2（長度）135mm關節(jié)3（行程）60mm控制方式PTP/CP操作方式示教再現(xiàn)供電電源二相220U、50HZ安裝要求安裝方式水平安裝安裝環(huán)境溫度：0~45℃濕度：20~80％RH（不能結露）震動：0.5G以下避免接觸易燃腐蝕性液體或氣體，遠離電氣噪聲源第41頁/共255頁第2章機器人運動學2.1機器人的位姿描述2.2齊次變換及運算2.3機器人運動學方程2.4機器人微分運動第42頁/共255頁機器人的任務T6=A1A2A3A4A5A6第43頁/共255頁第2章機器人運動學運動學研究的問題：

手在空間的位姿及運動與各個關節(jié)的位姿及運動之間的關系。其中：正問題：已知關節(jié)運動，求手的運動。逆問題：已知手的運動，求關節(jié)運動。第44頁/共255頁一、機器人位姿的表示1、位置的表示坐標系建立后，任意點p在空間的位置可以用一個3×1的位置矢量來描述；例如，點p在{A}坐標系中表示為：

ｐ(ｘ,ｙ,ｚ)ｚｙｘｏ2.1機器人的位姿描述{A}第45頁/共255頁2、姿態(tài)（或稱方向）的表示剛體的姿態(tài)可以用附著于剛體上的坐標系（用{B}表示）來表示；因此，剛體相對于坐標系{A}的姿態(tài)等價于{B}相對于{A}的姿態(tài)。坐標系{B}相對于{A}的姿態(tài)表示可以用坐標系{B}的三個基矢量xB、yB和zB在{A}中的表示給出，即[AxB

AyB

AzB]

,它是一個3×3矩陣，它的每一列為{B}的基矢量在{A}中的分量表示。2.1機器人的位姿描述第46頁/共255頁即：2.1機器人的位姿描述úúú?ùêêê?é=),cos(),cos(),cos()A,cos()A,cos(),cos()A,cos(),cos(),cos(BBBBBBBBBzzAyzAxzAzy

yyxyAzxyxAxxARAB基矢量都是單位矢量，因此，上式又可以寫成：第47頁/共255頁2.1機器人的位姿描述

稱為坐標系{B}相對{A}的旋轉矩陣。旋轉矩陣的性質：1、三個列向量兩兩正交。2、每一行是{A}的基矢量在{B}中的分量表示。3、旋轉矩陣是正交矩陣，其行列式等于1。4、它的逆矩陣等于它的轉置矩陣，即：

第48頁/共255頁3、位姿的統(tǒng)一表示定義一組四向量矩陣[RP]，如圖。其中，R表示{j}相對{i}的姿態(tài)，P表示{j}的原點相對{i}的位移。我們可以將{j}坐標系相對{i}坐標系描述為：ｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjp2.1機器人的位姿描述第49頁/共255頁2.2.1、不同直角坐標系表示之間的關系

1、平移設坐標系{i}和坐標系{j}具有相同的姿態(tài)，但它倆的坐標原點不重合，若用3×1矩陣iPjorg表示坐標系{j}的原點相對坐標系{i}的表示，則同一向量在兩個坐標系中的表示的關系為：2.2齊次變換及運算第50頁/共255頁2、旋轉設坐標系{i}和坐標系{j}的原點重合，但它倆的姿態(tài)不同。設有一向量P，它在{j}坐標系中的表示為jP，它在{i}中如何表示？考慮分量：即：2.2齊次變換及運算ｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjp第51頁/共255頁3、另一種解釋對同一個數(shù)學表達式可以給出多種不同的解釋，前面介紹的是同一個向量在不同的坐標系的表示之間的關系。上述數(shù)學關系也可以在同一個坐標系中解釋的向量的“向前”移動或旋轉，或則，坐標系“向后”的移動或旋轉。例如:2P=R1P2.2齊次變換及運算第52頁/共255頁4、常用的旋轉變換、繞z軸旋轉θ角坐標系{i}和坐標系{j}的原點合，坐標系{j}的坐標軸方向相對于坐標系{i}繞軸旋轉了一個θ角。θ角的正負一般按右手法則確定，即由z軸的矢端看，逆時鐘為正。2.2齊次變換及運算ｚiｙiｘiｏiｚjｙjｘjｏjθθ第53頁/共255頁3.2齊次變換及運算14四月2023上式也可以表示坐標系固定，向量繞Z軸反向轉動θ角。第54頁/共255頁、繞x軸旋轉α角的旋轉變換矩陣為：

2.2齊次變換及運算ｙiｚiｘiｏiｚjｙjｘjｏjαα第55頁/共255頁③繞y軸旋轉β角的旋轉變換矩陣為：

2.2齊次變換及運算ｘiｙiｚiｏiｚjｙjｘjｏjββ第56頁/共255頁繞任意軸的轉動設繞k軸轉動θ角，則旋轉矩陣為：其中：2.2齊次變換及運算第57頁/共255頁若給定一旋轉矩陣:則可計算出：2.2齊次變換及運算第58頁/共255頁2.2齊次變換及運算5、聯(lián)合（平移+旋轉）設坐標系{i}和坐標系{j}坐標原點不重合并具有不同的姿態(tài)。則空間任一矢量在坐標系{i}和坐標系{j}之間有以下關系：第59頁/共255頁若坐標系{i}和坐標系{j}之間是先旋轉變換，后平移變換，則上述關系是應如何變化？2.2齊次變換及運算第60頁/共255頁例：已知坐標系{B}的初始位置與坐標系{A}重合，首先坐標系{B}沿坐標系{A}的x軸移動12個單位，并沿坐標系{A}的y軸移動6個單位，再繞坐標系{A}的z軸旋轉30°，求平移變換矩陣和旋轉變換矩陣。假設某點在坐標系{B}中的矢量為，求該點在坐標系{A}中的矢量。

2.2齊次變換及運算第61頁/共255頁解：由題意可得平移變換矩陣和旋轉變換矩陣分別為：，則：

2.2齊次變換及運算14四月2023第62頁/共255頁1、齊次坐標的定義空間中任一點在直角坐標系中的三個坐標分量用表示，若有四個不同時為零的數(shù)與三個直角坐標分量之間存在以下關系：

則稱是空間該點的齊次坐標。2.2齊次變換及運算2.2.2、齊次坐標變換以后用到齊次坐標時，一律默認k=1。第63頁/共255頁2.2齊次變換及運算2、齊次坐標變換為何使用齊次坐標在進行聯(lián)合變換時，變換關系為：第64頁/共255頁將其寫成統(tǒng)一的矩陣形式則有：

2.2齊次變換及運算式中，——齊次坐標變換矩陣，它是一個4×4的矩陣。第65頁/共255頁①齊次坐標變換矩陣的意義若將齊次坐標變換矩陣分塊，則有：意義：左上角的3×3矩陣是兩個坐標系之間的旋轉變換矩陣，它描述了姿態(tài)關系；右上角的3×1矩陣是兩個坐標系之間的平移變換矩陣，它描述了位置關系，所以齊次坐標變換矩陣又稱為位姿矩陣。

2.2齊次變換及運算第66頁/共255頁聯(lián)合變換與單步齊次變換矩陣的關系：任何一個齊次坐標變換矩陣均可分解為一個平移變換矩陣與一個旋轉變換矩陣的乘積，即：

2.2齊次變換及運算第67頁/共255頁齊次變換的逆變換2.2齊次變換及運算第68頁/共255頁齊次變換的逆變換若齊次坐標變換矩陣為：則：

2.2齊次變換及運算第69頁/共255頁（2）齊次變換矩陣（D-H矩陣）

③聯(lián)合變換與單步齊次矩陣的關系

當空間有任意多個坐標系時，若已知相鄰坐標系之間的齊次坐標變換矩陣，則由坐標變換原理可知：

由此可知，建立機器人的坐標系，可以通過齊次坐標變換，將機器人手部在空間的位置和姿態(tài)用齊次坐標變換矩陣描述出來，從而建立機器人的運動學方程。

2.2齊次變換及運算2、齊次坐標變換{0}{i-1}{i}{n}第70頁/共255頁第71頁/共255頁機器人運動學小結

前面討論機器人的運動學問題，包括機器人運動方程的表示、求解與實例，以及機器人的雅可比短陣分析和計算等，這些內(nèi)容是研究機器人動力學和控制的重要基礎。對于機器人運動方程的表示，首先用變換矩陣表示機械手的運動方向，用轉角(即歐拉角)變換序列表示運動姿態(tài)，或用橫滾、俯仰和偏轉角表示運動姿態(tài)。一旦機械手的運動姿態(tài)由某個姿態(tài)變換矩陣確定之后，它在基系中的位置就能夠由左乘一個對應于矢量P的平移變換來確定。這一平移變換，可由笛卡兒坐標、柱面坐標或球面坐標來表示。對于機器人運動方程的求解，分別討論了歐拉變換解，滾—仰—偏變換解和球面變換解，得出各關節(jié)位置的求解公式。第72頁/共255頁電液伺服閥電液伺服閥既是電液轉換元件，又是功率放大元件，它能夠把微小的電氣信號轉換成大功率的液壓能（流量和壓力）輸出。從而實現(xiàn)了一些重型機械設備的伺服控制。

液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動地、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時，輸出功率被大幅度地放大。

伺服閥輸入信號是由電氣元件來完成的。電氣元件在傳輸、運算和參量的轉換等方面既快速又簡便，而且可以把各種物理量轉換成為電量。所以在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用電氣裝置作為電信號的比較、放大、反饋檢測等元件；而液壓元件具有體積小，結構緊湊、功率放大倍率高，線性度好，死區(qū)小，靈敏度高，動態(tài)性能好，響應速度快等優(yōu)點，可作為電液轉換功率放大的元件。因此，在一控制系統(tǒng)中常以電氣為“神經(jīng)”，以機械為“骨架”，以液壓控制為“肌肉”最大限度地發(fā)揮機電、液的長處。由于電液伺服閥的種類很多，但各種伺服閥的工作原理又基本相似，其分析研究的方法也大體相同，故今以常用的力反饋兩級電液伺服閥和位置反饋的雙級滑閥式伺服閥為重點，介紹其工作原理，同時也介紹伺服閥的性能參數(shù)及其測試方法。第73頁/共255頁電液伺服閥的組成：

電液伺服閥包括電力轉換器、力位移轉換器、前置級放大器和功率放大器等四部分。

電力轉換器：包括力矩馬達（轉動）或力馬達（直線運動），可把電氣信號轉換為力信號。

力位移轉換器：包括鈕簧、彈簧管或彈簧，可把力信號變?yōu)槲灰菩盘柖敵觥?/p>

前置級放大器：

包括滑閥放大器、噴嘴擋板放大器、射流管放大器。

功率放大器——滑閥放大器：

由功率放大器輸出的液體流量則具有一定的壓力，驅動執(zhí)行元件進行工作。電液伺服閥第74頁/共255頁電液伺服閥的分類

電液伺服閥的種類很多，根據(jù)它的結構和機能可作如下分類：

1）按液壓放大級數(shù)，可分為單級伺服閥、兩級伺服閥和三級伺服閥，其中兩級伺服閥應用較廣。

2）按液壓前置級的結構形式，可分為單噴嘴擋板式、雙噴嘴擋板式、滑閥式、射流管式和偏轉板射流式。

3）按反饋形式可分為位置反饋、流量反饋和壓力反饋。

4）按電-機械轉換裝置可分為動鐵式和動圈式。

5）按輸出量形式可分為流量伺服閥和壓力控制伺服閥。

6）按輸入信號形式可分為連續(xù)控制式和脈寬調(diào)制式。電液伺服閥第75頁/共255頁力反饋式電液伺服閥

力反饋式電液伺服閥的結構和原理如圖所示，無信號電流輸入時，銜鐵和擋板處于中間位置。這時噴嘴4二腔的壓力pa=pb，滑閥7二端壓力相等，滑閥處于零位。輸入電流后，電磁力矩使銜鐵2連同擋板偏轉θ角。設θ為順時針偏轉，則由于擋板的偏移使pa＞pb，滑閥向右移動。滑閥的移動，通過反饋彈簧片又帶動擋板和銜鐵反方向旋轉（逆時針），二噴嘴壓力差又減小。在銜鐵的原始平衡位置（無信號時的位置）附近，力矩馬達的電磁力矩、滑閥二端壓差通過彈簧片作用于銜鐵的力矩以及噴嘴壓力作用于擋板的力矩三者取得平衡，銜鐵就不再運動。同時作用于滑閥上的油壓力與反饋彈簧變形力相互平衡，滑閥在離開零位一段距離的位置上定位。這種依靠力矩平衡來決定滑閥位置的方式稱為力反饋式。如果忽略噴嘴作用于擋板上的力，則馬達電磁力矩與滑閥二端不平衡壓力所產(chǎn)生的力矩平衡，彈簧片也只是受到電磁力矩的作用。因此其變形，也就是滑閥離開零位的距離和電磁力矩成正比。同時由于力矩馬達的電磁力矩和輸入電流成正比，所以滑閥的位移與輸入的電流成正比，也就是通過滑閥的流量與輸入電流成正比，并且電流的極性決定液流的方向，這樣便滿足了對電液伺服閥的功能要求。

電液伺服閥力反饋式伺服閥的工作原理

1—永久磁鐵；2—銜鐵；3—扭軸；4—噴嘴；5—彈簧片；6—過濾器；7—滑閥；8—線圈；9—軛鐵第76頁/共255頁

由于采用了力反饋，力矩馬達基本上在零位附近工作，只要求其輸出電磁力矩與輸入電流成正比（不象位置反饋中要求力矩馬達銜鐵位移和輸入電流成正比），因此線性度易于達到。另外滑閥的位移量在電磁力矩一定的情況下，決定于反饋彈簧的剛度，滑閥位移量便于調(diào)節(jié)，這給設計帶來了方便。

采用了銜鐵式力矩馬達和噴嘴擋板使伺服閥結構極為緊湊，并且動特性好。但這種伺服閥工藝要求高，造價高，對于油的過濾精度的要求也較高。所以這種伺服閥適用于要求結構緊湊，動特性好的場合。力反饋式伺服閥的工作原理

1—永久磁鐵；2—銜鐵；3—扭軸；4—噴嘴；5—彈簧片；6—過濾器；7—滑閥；8—線圈；9—軛鐵電液伺服閥第77頁/共255頁位置反饋式伺服閥為二級滑閥式位置反饋伺服閥結構。該類型電液伺服閥由電磁部分、控制滑閥和主滑閥組成。電磁部分是一只力馬達，原理如前所述。動圈靠彈簧定位。前置放大器采用滑閥式（一級滑閥）。在平衡位置（零位）時，壓力油從P腔進入，分別通過P腔槽，閥套窗口，固定節(jié)流孔3、5到達上、下控制窗口，然后再通過主閥（二級閥芯）的回油口回油箱。輸入正向信號電流時，動圈向下移動，一級閥芯隨之下移。這時，上控制窗口的過流面積減小，下控制窗口的過流面積增大。所以上控制腔壓力升高而下控制腔的壓力降低，使作用在主閥芯（二級閥芯）兩端的液壓力失去平衡。主閥芯在這一液壓力作用下向下移動。主閥芯下移，使上控制窗口的過流面積逐漸增大，下控制窗口的過流面積逐漸縮小。當主閥芯移動到上、下控制窗口過流面積重新相等的位置時，作用于主閥芯兩端的液壓力重新平衡。主閥芯就停留在新的平衡位置上，形成一定的開口。這時，壓力油由P腔通過主閥芯的工作邊到A腔而供給負載。回油則通過B腔，主閥芯的工作邊到T腔回油箱。輸入信號電流反向時，閥的動作過程與此相反。油流反向為P→B，A→T。

上述工作過程中，動圈的位移量，一級閥芯（先導閥芯）的位移量與主閥芯的位移量均相等。因動圈的位移量與輸入信號電流成正比，所以輸出的流量和輸入信號電流成正比。電液伺服閥

圖位置反饋伺服閥結構

1—閥體；2—閥套；3—固定節(jié)流口；4—二級閥芯；5—固定節(jié)流口；6—一級閥芯；7—線圈；8—下彈簧；9—上彈簧；10—磁鋼第78頁/共255頁

圖位置反饋伺服閥結構

1—閥體；2—閥套；3—固定節(jié)流口；4—二級閥芯；5—固定節(jié)流口；6—一級閥芯；7—線圈；8—下彈簧；9—上彈簧；10—磁鋼二級滑閥型位置反饋式伺服閥的方框圖如圖所示。

該型電液伺服閥具有結構簡單，工作可靠，容易維護，可在現(xiàn)場進行調(diào)整，對油液清潔度要求不太高。電液伺服閥第79頁/共255頁

圖管道流量（或靜壓力）的電液伺服系統(tǒng)1—流體管道；2—閥板；3—齒輪、齒條；4—液壓缸；5—給定電位器；6—流量傳感電位器；7—放大器；8—電液伺服閥電液伺服閥第80頁/共255頁圖所示為一個對管道流量進行連續(xù)控制的電液伺服系統(tǒng)。在大口徑流體管道1中，閥板2的轉角θ變化會產(chǎn)生節(jié)流作用而起到調(diào)節(jié)流量qT的作用。閥板轉動由液壓缸帶動齒輪、齒條來實現(xiàn)。這個系統(tǒng)的輸入量是電位器5的給定值xi。對應給定值xi，有一定的電壓輸給放大器7，放大器將電壓信號轉換為電流信號加到伺服閥的電磁線圈上，使閥芯相應地產(chǎn)生一定的開口量xv。閥開口xv使液壓油進入液壓缸上腔，推動液壓缸向下移動。液壓缸下腔的油液則經(jīng)伺服閥流回油箱。液壓缸的向下移動，使齒輪、齒條帶動閥板產(chǎn)生偏轉。同時，液壓缸活塞桿也帶動電位器6的觸點下移xp。當xp所對應的電壓與xi所對應的電壓相等時，兩電壓之差為零。這時，放大器的輸出電流亦為零，伺服閥關閉，液壓缸帶動的閥板停在相應的qT位置。在控制系統(tǒng)中，將被控制對象的輸出信號回輸?shù)较到y(tǒng)的輸入端，并與給定值進行比較而形成偏差信號以產(chǎn)生對被控對象的控制作用，這種控制形式稱之為反饋控制。反饋信號與給定信號符號相反，即總是形成差值，這種反饋稱之為負反饋。用負反饋產(chǎn)生的偏差信號進行調(diào)節(jié)，是反饋控制的基本特征。而對圖1所示的實例中，電位器6就是反饋裝置，偏差信號就是給定信號電壓與反饋信號電壓在放大器輸入端產(chǎn)生的△u。

電液伺服閥第81頁/共255頁1、輸入電流-輸出流量特性

空載時輸出流量和輸入信號電流之間的關系，常用空載流量特性曲線來表示。由這一曲線可得到該閥的額定值、線性度、滯環(huán)、流量增益等特性。

額定電流IR——在這一電流范圍內(nèi)，閥的輸出流量與輸入信號電流成正比。

額定空載流量——在額定壓力與額定電流下閥的空載流量。

線性度——q-I曲線直線性的度量。滯環(huán)——主要用來表明信號電流改變方向時，由摩擦力、磁滯等原因使I-q曲線不重合的程度。常以曲線上同一流量下電流最大差值△Imax與閥的額定電流IR之比來表示。

流量增益——qL與I之比值，即q-I曲線的平均斜率。圖

空載流量特性曲線IR——額定電流；q0——最大空載流量；tanθ——流量增益電液伺服閥第82頁/共255頁壓力增益特性

在一定供油壓力下，在輸入電流I和負載壓力pL=p1－p2曲線上，比值△pL/△I稱為壓力增益。當負載流量保持為零時，在零位（中間平衡位置）附近的壓力增益稱為零位壓力增益。零位壓力增益與主滑閥的開口形式有關，以零開口形式最高。提高供油壓力ps也可提高零位壓力增益。但這一特性主要與閥的制造質量有關。提高零位壓力增益，對于減小不靈敏區(qū)、提高精度有作用，但對穩(wěn)定性起相反的作用。圖是零開口伺服閥的零位壓力增益特性曲線。圖零位壓力增益特性曲線電液伺服閥第83頁/共255頁負載壓力、流量特性

這一特性往往是選用伺服閥的主要依據(jù)。圖即為負載壓力-流量特性曲線圖負載壓力-流量特性曲線電液伺服閥第84頁/共255頁對數(shù)頻率特性它表示電液伺服閥的動態(tài)特性。幅頻曲線中一3dB時頻率為該閥的頻寬。其值越大則該閥的工作頻率范圍越大。對數(shù)頻率特性也是分析伺服系統(tǒng)動特性以及設計、綜合電液伺服系統(tǒng)的依據(jù)。即為閥的對數(shù)頻率特性曲線。電液伺服閥第85頁/共255頁零飄與零偏

伺服閥由于供油壓力的變化和工作油溫度的變化而引起的零位（QL=pL=0的幾何位置）變化稱為零飄。零飄一般用使其恢復位所需加的電流值與額定電流值之比來衡量。這一比值越小越好。另外，由于制造、調(diào)整、裝配的差別，控制線圈中不加電流時，滑閥不一定位于中位。有時必須加一定的電流才能使其恢復中位（零位）。這一現(xiàn)象稱為零偏。零偏以使閥恢復零位所需加之電流值與額定電流值之比來衡量。不靈敏度由于不靈敏區(qū)的存在，伺服閥只有在輸入信號電流達一定值時才會改變狀態(tài)。使伺服閥發(fā)生狀態(tài)變化的最小電流與額定電流之比稱為不靈敏度。其值愈小愈好。電液伺服閥第86頁/共255頁電液伺服閥故障的原因及解決方法在生產(chǎn)實踐過程中筆者發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)玻殼的自動壓機沖壓油缸在動作過程中出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，并且顫抖動作時強時弱，但基本能夠完成全部動作?？刂葡到y(tǒng)采用OILGEAR公司的SC-VP系列的電液伺服閥，其結構為永磁式力反債兩級伺服閥．工作壓力為9MPa。原因分析根據(jù)故障現(xiàn)象為液壓油缸動作不良，判斷出伺服閥閥芯在動作過程中有顫抖動作，其原因可分為電氣和機械兩大部分。因電氣故障處理較快，為盡快維修，故從電氣處理開始。

1、電氣部分設為電氣部分出現(xiàn)故障，則有可能為控制信號串人交流信號、接線端子松動．連線接觸不良。信號發(fā)生回路硬件故障，伺服放大回路硬件故障等原因。經(jīng)檢查，可以排除控制信號串入交流信號的可能，接線端子牢固無松動現(xiàn)象，連線無接觸不良，更換信號發(fā)生回路硬件模塊和伺服放大回路硬件模塊，故障現(xiàn)象依舊，采用示波器測量，信號正常。至此，基本排除電氣部分故障。

電液伺服閥第87頁/共255頁

2、液壓部分分別依次排除以下故障的可能性：油壓管道和油缸內(nèi)有空氣、液壓油污染、油缸內(nèi)漏嚴重、控制油路和主油路壓力不穩(wěn)定。最后認定是伺服閥本體故障。更換伺服閥先導部分．開機正常。經(jīng)拆開檢查，發(fā)現(xiàn)力矩馬達導磁體與銜鐵縫隙中有許多金屬屑，相當于減小了銜鐵在中位時的每個氣隙長度g。根據(jù)《液壓控制系統(tǒng)》的分析結論：當|x/g|>1／3時(x為銜鐵端部偏離中位的位移)，銜鐵總是不穩(wěn)定的。因此認為液壓系統(tǒng)中的金屬屑被吸附在永磁體上，減小了氣隙長度g，破壞了力矩馬達原有的靜態(tài)特性，是本次故障的根本原因。維護措施

針對本次故障原因，以及分析的其他可能，采取了以下措施：

1、定期更換油路濾芯，清理變質油由于此次故障由液壓油中金屬污染造成，因此定期更換該系統(tǒng)油路中的濾芯，放掉濾油器中存油，可防止污物進入伺服閥，有效的防止故障發(fā)生，延長伺服閥的運行時間。力矩馬達和先導閥完全浸泡在與回油相通的油液里，位置又處于管道的盲端，所以該處的油液幾乎不流動，易氧化變質，因此需定期放掉變質的液壓油。

電液伺服閥第88頁/共255頁

2、定期更換液壓油，加強液壓油的管理液壓油在長期工作中會氧化焦化，并且液壓系統(tǒng)中的泵．閥、油缸等的磨損，會產(chǎn)生一些金屬屑，它們會降低液壓油的品質，造成故障。根據(jù)近幾年液壓油使用周期和油品化驗結果，要每10個月更換一次液壓油，才能保證設備無計劃外停機。

3、定期更換伺服閥此次故障的直接原因為力矩馬達被污染導致伺服閥動作不良，因此定期清洗、更換力矩馬達和先導閥，防止污染，從而杜絕故障發(fā)生。伺服閥的裝拆應在盡可能干凈的環(huán)境中進行，操作時應先去掉接到伺服閥上的電氣信號，再卸掉液壓系統(tǒng)的壓力，然后拆下伺服閥。在干凈、相容的商用溶劑中清洗所有的零件，零件可以晾干或用軟氣管以潔凈、干燥的空氣吹干。清洗后的伺服閥，可以作為備件輪流使用，降低費用。

4、定期更換檢查電氣信號，緊固接線端子，防止松動，檢查連線，防止接觸不良伺服閥是精密制造的機電一體化產(chǎn)品，精度極高，對污染十分敏感，它在維護、清潔及對維護工作重要性的認識等方面的要求非常高，在實際使用中一定要引起足夠的重視。電液伺服閥第89頁/共255頁機器人電機伺服控制伺服電動機測速發(fā)電機步進電動機自動控制的基本概念第90頁/共255頁控制電機教學要求：1.了解交流伺服電動機的結構和工作原理。2.了解直流伺服電動機的結構和工作原理。3.了解交流測速發(fā)電機的結構和工作原理。4.了解步進電動機的結構和工作原理。第91頁/共255頁直流電動機:將直流電能轉換為機械能的轉動裝置。

異步電動機:由定子繞組形成的旋轉磁場與轉子繞組中感應電流的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉矩驅動轉子旋轉的交流電動機。

各種控制電機有各自的控制任務：如:伺服電動機將電壓信號轉換為轉矩和轉速以驅動控制對象；測速發(fā)電機將轉速轉換為電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。步進電動機將脈沖信號轉換為角位移或線位移。

本章介紹的各種控制電機的主要任務是轉換和傳遞控制信號，能量的轉換是次要的。

控制電機的種類很多，本章只討論常用的幾種:伺服電機、測速電機、步進電機。

對控制電機的主要要求：動作靈敏、準確、重量輕、體積小、耗電少、運行可靠等。第92頁/共255頁伺服電動機可分為兩類：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉換為軸上輸出的角位移和角速度，驅動控制對象。交流伺服電動機直流伺服電動機伺服電動機伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控制系統(tǒng)和計算機外圍設備中常用的執(zhí)行元件。第93頁/共255頁交流伺服電動機交流伺服電動機就是一臺兩相交流異步電機。它的定子上裝有空間互差90的兩個繞組：勵磁繞組和控制繞組，其結構如圖所示。勵磁繞組控制繞組杯形轉子內(nèi)定子交流伺服電動機結構圖第94頁/共255頁放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組勵磁繞組+++–––1勵磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉磁場。適當選擇電容的大小，可使通入兩個繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉磁場。交流伺服電動機的接線圖和相量圖(a）接線圖1(b)相量圖第95頁/共255頁控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相。放大器檢測元件控制信號+–+–控制繞組交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。勵磁繞組固定接在電源上，當控制電壓為零時，電機無起動轉矩，轉子不轉。

若有控制電壓加在控制繞組上，且勵磁電流和控制繞組電流不同相時，因此便產(chǎn)生兩相旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子便轉動起來。第96頁/共255頁

交流伺服電動機的特點：不僅要求它在靜止狀態(tài)下，能服從控制信號的命令而轉動，而且要求在電動機運行時如果控制電壓變?yōu)榱?，電動機立即停轉。但如果交流伺服電動機的參數(shù)選擇和一般單相異步電動機相似，電動機一經(jīng)轉動，即使控制等于零，電動機仍繼續(xù)轉動，電動機失去控制，這種現(xiàn)象稱為“自轉”。如何克服“自轉”現(xiàn)象呢？n1=60f/p,同步轉速S=(n1-n)/n1式中：n1為同步轉速,n為電機轉速。第97頁/共255頁正反向旋轉磁場的合成轉矩特性(正向)(反向)正轉轉反當單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉矩為正值，產(chǎn)生電動轉矩，使轉子繼續(xù)轉動。反轉時也同樣為電動轉矩。第98頁/共255頁現(xiàn)增大轉子電阻，使Sm>1當單相勵磁時，在電動機運行范圍0<S1<1時，轉矩為負值，產(chǎn)生制動轉矩，使轉子停轉。反轉時也同樣為制動轉矩。第99頁/共255頁加在控制繞組上的控制電壓反相時(保持勵磁電壓不變)，由于旋轉磁場的旋轉方向發(fā)生變化，使電動機轉子反轉。

加在控制繞組上的控制電壓大小變化時，其產(chǎn)生的旋轉磁場的橢圓度不同，從而產(chǎn)生的電磁轉矩也不同，從而改變電動機的轉速。不同控制電壓下的機械特性曲線n=f(T),

U1=常數(shù)TU20.8U20.6

U20.4U2on交流伺服電動機的機械特性如圖所示。第100頁/共255頁在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉矩作用時，電動機轉速隨控制電壓的下降而均勻減小。交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統(tǒng)中。應用:第101頁/共255頁直流伺服電動機

直流伺服電動機的結構與直流電動機基本相同。只是為減小轉動慣量，電機做得細長一些。直流伺服電動機的工作原理也與直流電動機相同。供電方式：他勵供電。勵磁繞組和電樞分別由兩個獨立的電源供電。U1為勵磁電壓，U2為電樞電壓MU1I1I2U2放大器U++––直流伺服電動機的接線圖第102頁/共255頁由機械特性可知：(1)一定負載轉矩下，當磁通不變時，U2n。(2)U2=0時，電機立即停轉。電動機反轉：改變電樞電壓的極性，電動機反轉。直流伺服電機的機械特性與他勵直流電機相同一樣，也可用下式表示機械特性曲線如圖所示。直流伺服電動機的n=f(T)曲線(U1=常數(shù))U20.8U20.6U20.4U2nTO第103頁/共255頁直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用于功率稍大的系統(tǒng)中，如隨動系統(tǒng)中的位置控制等。直流伺服電機輸出功率一般為1-600W。應用：第104頁/共255頁測速發(fā)電機

測速發(fā)電機是一種轉速測量傳感器。在許多自動控制系統(tǒng)中，它被用來測量旋轉裝置的轉速，向控制電路提供與轉速大小成正比的信號電壓。測速發(fā)電機分為交流和直流兩種類型。交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機又分為同步式和異步式兩種，這里只分析異步式交流測速發(fā)電機的工作原理。第105頁/共255頁????1轉子定子勵磁繞組輸出繞組異步式交流測速發(fā)電機的結構與杯形轉子交流伺服電機相似，它的定子上有兩個繞組，一個是勵磁繞組，一個是輸出繞組。輸出繞組+–勵磁繞組+–交流測速發(fā)電機第106頁/共255頁工作時，測速發(fā)電機的勵磁繞組接交流電源U1，由U14.44f1N11可知：當被測轉動軸帶動發(fā)電機轉子旋轉時，轉子切割1產(chǎn)生轉子感應電勢Er和轉子電流Ir，它們的大小與1和轉子轉速n

成正比：轉子電流Ir也產(chǎn)生磁通r，r在輸出繞組中感應出電壓U2，U2的大小與r成正比：第107頁/共255頁綜合上述分析可知：當U1恒定不變時，U2與n成正比，這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。由于鐵心線圈電感的非線性影響，交流測速發(fā)電機的輸出電壓U2與n間存在著一定的非線性誤差，使用時要注意加以修正。第108頁/共255頁直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機分永磁式和他勵式兩種。兩種電機的電樞相同，工作時電樞接負載電阻RL。但永磁式的定子使用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，因而沒有勵磁線圈；他勵式的結構與直流伺服電機相同，工作時勵磁繞組加直流電壓U1勵磁。他勵式直流測速發(fā)電機接線圖TGRLI2U2+–Ra+–EI1U1+–第109頁/共255頁當被測裝置轉動軸帶動發(fā)電機電樞旋轉時，電樞產(chǎn)生電動勢E，其大小為：發(fā)電機的輸出電壓為：上式中代入：于是第110頁/共255頁可見，當勵磁電壓U1保持恒定時（亦恒定），若Ra、RL不變，則輸出電壓U2的大小與電樞轉速n成正比。這樣，發(fā)電機就把被測裝置的轉速信號轉變成了電壓信號，輸出給控制系統(tǒng)。0nU2RL2<RL1RL=RL2RL1第111頁/共255頁值得注意的是，由于直流電機中存在著電樞反應現(xiàn)象，使得輸出電壓U2與轉速n有一定的線性誤差。RL越小、n越大，誤差越大。因此，在使用中應使RL和n的大小符合直流測速發(fā)電機的技術要求。測速發(fā)電機的作用是將機械速度轉變?yōu)殡妷盒盘?，在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作為檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機將速度轉換為電壓信號作為反饋信號，達到調(diào)節(jié)速度的作用。第112頁/共255頁步進電動機原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號

轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，改變轉動方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.第113頁/共255頁以反應式為例說明步進電機的結構和原理通常按勵磁方式分為三大類：1）反應式：轉子無繞組，定轉子開小齒、步距小。應用最廣。2）永磁式：轉子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大。3）感應子式(混合式)：開小齒，混合反應式與永磁式優(yōu)點：轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小。步進電機的種類：第114頁/共255頁下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。采用Y連接，轉子有四個齒。定子轉子第115頁/共255頁1.工作原理

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組

輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBIC第116頁/共255頁1.三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊?！叭唷敝溉嗖竭M電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。第117頁/共255頁CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A第118頁/共255頁

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角)。2.三相六拍按AABBBCC

CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。第119頁/共255頁CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15，到達左圖所示位置。第120頁/共255頁CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時通電，C'、C

磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15。第121頁/共255頁三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCC

CA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。3.三相雙三拍按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。第122頁/共255頁AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。第123頁/共255頁

從以上對步進電機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：—步距角Zr

—轉子齒數(shù)m—每個通電循環(huán)周期的拍數(shù)

以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。第124頁/共255頁實用步進電機的步距角多為3和1.5。為了獲得小步距角，電機的定子、轉子都做成多齒的，如圖所示。圖中轉子表面有40個齒，齒距角是9；

定子仍是6個磁極，但每個磁極表面加工有五個和轉子一樣的齒。第125頁/共255頁步進電機通過一個電脈沖轉子轉過的角度,稱為步距角。N:一個周期的運行拍數(shù),即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù)Zr：轉子齒數(shù)如：Zr=40,N=3時步距角拍數(shù)：N=kmk=1單拍制2雙拍制m:相數(shù)第126頁/共255頁轉速每輸入一個脈沖，電機轉過即轉過整個圓周的1/(ZrN）,也就是1/(ZrN）轉因此每分鐘轉過的圓周數(shù)，即轉速為步距角一定時，通電狀態(tài)的切換頻率越高，即脈沖頻率越高時，步進電動機的轉速越高。脈沖頻率一定時，步距角越大、即轉子旋轉一周所需的脈沖數(shù)越少時，步進電動機的轉速越高。第127頁/共255頁

步進電動機的應用非常廣泛，如各種數(shù)控機床、自動繪圖儀、機器人等。應用：數(shù)控裝置步進電動機電位器放大器液壓缸機械手電液伺服閥步進電動機根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令帶動電位器的動觸電轉動，使其偏離中點產(chǎn)生電位差，經(jīng)放大后控制伺服閥的開口量，壓力油經(jīng)閥口進入油缸，使機械手按照存儲在數(shù)控裝置中的指令動作。第128頁/共255頁步進電機的矩頻特性步進電動機的輸出轉矩與控制脈沖頻率之間的關系稱為矩頻特性步進電動機矩頻特性特點：下降曲線。以最大負載轉矩（啟動轉矩）Tq為起點，隨著控制脈沖頻率增加，步進電動機的轉速逐步升高、而帶負載能力卻下降第129頁/共255頁步進電動機的驅動步進電動機的驅動電源主要由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成。第130頁/共255頁步進驅動器與電機的接線

在步進驅動模塊面板的24V和0V端子引入DC24V電源。驅動器的輸入信號為CP+、CP-和DIR+、DIR-，參見下圖。在外部接成共陽方式：把CP+和DIR+接在一起作為共陽端，由電氣箱中PLC的Y0端子輸出脈沖信號，脈沖信號接入CP-端，方向信號接入DIR-端。

第131頁/共255頁步進驅動器與電機的接線當CP+和DIR+輸入+24V時，在脈沖信號接入端CP-，方向信號接入端DIR-分別接入2K限流電阻（本模塊已在內(nèi)部接入2K電阻）。分別把電機的A相、B相接入驅動器的A相、B相輸出端。

第132頁/共255頁小結

1、步進電動機可以將電脈沖信號轉換為角位移或線位移。2、其步距角和轉速不受電壓波動、負載變化、溫度變化等因素的影響3、精度很高且其誤差不會積累，常用于要求較高的自動控制系統(tǒng)中。

第133頁/共255頁自動控制的基本概念

用某種裝置代替人，按照人的意愿自動完成一系列控制過程，稱作自動控制。從結構上看，自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。

控制對象控制指令輸出

開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，控制對象按照控制指令工作，但不能根據(jù)輸出結果自動調(diào)節(jié)，僅用于對控制精度要求不高的場合。第134頁/共255頁控制對象反饋環(huán)節(jié)誤差輸出給定反饋?

閉環(huán)控制系統(tǒng)結構比較復雜。把輸出信號的一部分通過反饋環(huán)節(jié)引回到輸入端，與給定信號比較，得到誤差信號，再送入控制對象去調(diào)節(jié)輸出結果。如此反復循環(huán)，直至誤差為零。這種控制是通過反饋來實現(xiàn)的，所以也叫做反饋控制系統(tǒng)。第135頁/共255頁給定元件放大元件執(zhí)行元件控制對象檢測元件被調(diào)量控制指令+UgUdUf–閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）的各個基本環(huán)節(jié)如下圖所示：系統(tǒng)中各部分的作用如下：

給定元件——把控制指令變成給定值。它與被調(diào)量存在著一定的函數(shù)關系。改變給定值，即可改變被調(diào)量。第136頁/共255頁

檢測元件——把被調(diào)量檢測出來，按一定的函數(shù)關系反饋到輸入端。

比較元件——把反饋信號Uf與給定信號Ug比較以獲取誤差信號Ud。

放大元件——當誤差信號太微弱時，需要用放大元件把誤差信號放大到足以推動執(zhí)行元件的程度。

執(zhí)行元件——直接推動控制對象改變被調(diào)量。

控制對象——由執(zhí)行元件推動的各種裝置，如各種機械負載、發(fā)電機、加熱爐、閘門等，相應的被調(diào)量就是轉速、電壓、溫度、位移等。第137頁/共255頁第五章工業(yè)機器人控制

工業(yè)機器人的控制主要包括：機器人動作的順序、應實現(xiàn)的路徑與位置、動作時間間隔以及作用于對象物上的作用力等。工業(yè)機器人要代替人完成某些操作，通常需要具有如圖5-1所示的控制機能。這些機能與工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成有著對應關系。早期工業(yè)機器人的控制是通過示教再現(xiàn)方式進行的，控制裝置是由凸輪、擋塊、插銷板、穿孔紙帶、磁鼓、繼電器等機電元件構成。而進入80年代的工業(yè)機器人則主要使用微型計算機系統(tǒng)綜合實現(xiàn)上述裝置的功能。本章介紹的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)都是以計算機控制為前提的。第138頁/共255頁§5-l工業(yè)機器人控制的特點及分類一、工業(yè)機器人控制的特點工業(yè)機器人的控制技術與傳統(tǒng)的自動機械控制相比，沒有根本的不同之處。然而，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)一般是以機器人的單軸或多軸運動協(xié)調(diào)為目的的控制系統(tǒng)。其控制結構要比一般自動機械的控制復雜得多，與一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)有如下特點：

(1)傳統(tǒng)的自動機械是以自身的動作為重點，而工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)更著重本體與操作對象的相互關系。無論以多么高的精度控制手臂，若不能央持并操作物體到達目的位置，作為工業(yè)機器人來說，那就失去了意義，這種相互關系是首要的。第139頁/共255頁

(2)工業(yè)機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。根據(jù)給定的任務，經(jīng)常要求解運動學正問題和逆問題，因此，往往要根據(jù)需要,選擇不同的基準坐標系，并作適當?shù)淖鴺俗儞Q。而且還因工業(yè)機器人各關節(jié)之間慣性力、哥氏力的耦合作用以及重力負載的影響使問題復雜化，所以使工業(yè)機器人控制問題也變得復雜。

(3)即使一個簡單的工業(yè)機器人也至少有