《機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》 課件第5章 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)

第5章機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)教學(xué)目標(biāo)《機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》1.了解機(jī)器人常用的機(jī)械零件和機(jī)械結(jié)構(gòu)；2.掌握直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用方法。目錄頁P(yáng)AGEOFCONTENT5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.2機(jī)器人電機(jī)

5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.1.1機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成很多人可能認(rèn)為機(jī)器人具有人的形態(tài)、能夠模仿人類說話、行走等。但事實(shí)上，除了部分場所使用的擬人化服務(wù)機(jī)器人外，大多數(shù)機(jī)器人都不具有基本的人類形態(tài)。特別是工業(yè)生產(chǎn)場所使用的機(jī)器人，許多是以機(jī)械手的形式存在。

5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.1.1

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成機(jī)器人的形態(tài)是通過一系列機(jī)械零件與機(jī)械結(jié)構(gòu)聯(lián)接而成的，機(jī)械零件與機(jī)械結(jié)構(gòu)是構(gòu)成機(jī)器人的骨骼，是機(jī)器人技術(shù)的基本組成部分，主要包括：1）傳動件：如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。2）聯(lián)接件：如螺栓、銷、鍵、鉚釘?shù)取?）緩沖件：如彈簧。4）支撐件：如機(jī)座、軸承等。5）聯(lián)軸器與制動器。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)1.工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人是一種模擬人的手臂、手腕和手功能的機(jī)電一體化裝置。能夠精確控制所操作物體的位置、位移、速度和加速度，從而完成一系列工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：1）機(jī)械臂（執(zhí)行結(jié)構(gòu)）2）驅(qū)動裝置3）傳動裝置

5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式由工作任務(wù)和作業(yè)環(huán)境決定。按照其本體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動能力，服務(wù)機(jī)器人分為靜止式和移動式兩類。靜止式服務(wù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工業(yè)機(jī)器人類似，采用多關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)。通常工作于結(jié)構(gòu)化環(huán)境，機(jī)器人與環(huán)境的之間的互動較少，工作任務(wù)比較單一，比如汽車加油、醫(yī)療保健、殘疾人護(hù)理等。移動式服務(wù)機(jī)器人是目前大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人所采用的本體結(jié)構(gòu)形式，其移動機(jī)構(gòu)包括：輪式結(jié)構(gòu)、履帶式結(jié)構(gòu)、滾筒式結(jié)構(gòu)、爬式結(jié)構(gòu)、腳式行走結(jié)構(gòu)等。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.1.2.機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由許多機(jī)械連桿連接而成的機(jī)械臂，是工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它本質(zhì)上是一個仿人手臂的空間開式鏈機(jī)構(gòu)，一端固定在基座上，另一端可自由運(yùn)動。主要由手爪、手腕、手臂、基座四部分組成。1.工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)1.工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.手爪習(xí)慣上又稱作末端執(zhí)行器，是為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)，給機(jī)器人配置的操作機(jī)構(gòu)。2.手腕聯(lián)接手爪和手臂的機(jī)構(gòu)，作用是改變手爪的空間方向，將作業(yè)載荷傳遞到手臂。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)1.工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.手臂聯(lián)接機(jī)身和手腕的部分，由操作的動力關(guān)節(jié)和4.基座機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用．對固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上，對移動式機(jī)器人，連接桿件等構(gòu)成。主要作用是改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置，滿足機(jī)器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到基座。則安裝在移動機(jī)構(gòu)上，分為有軌和無軌兩種。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.服務(wù)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.靜止式服務(wù)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)與工業(yè)機(jī)器人相似，不同點(diǎn)在于末端執(zhí)行2.移動式服務(wù)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括操作機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。操作機(jī)構(gòu)：手、手臂和手腕。器接裝不同的機(jī)械裝置。行走機(jī)構(gòu)：足式、輪式、履帶式、蠕動行走方式等。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.1.3.機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)1.機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的功能傳遞驅(qū)動裝置提供的動力和運(yùn)動，帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動，以保證末端執(zhí)行器具有精確的運(yùn)動位置、姿態(tài)和運(yùn)動速度。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.工業(yè)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人廣泛采用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)是減速器，與2）諧波減速器1）RV減速器短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。現(xiàn)在大量應(yīng)用在關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人上的減速器有：通用的減速器相比，機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動鏈此外，工業(yè)機(jī)器人還采用齒輪傳動、帶傳動、直線運(yùn)動單元等。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.工業(yè)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)1.RV減速器組成：主要由太陽輪、行星輪、轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)臂軸承、

用途：適用于高精度機(jī)器人傳動，主要裝置在基座、手臂等承受重負(fù)載的位置。RV齒輪、針齒、剛性盤與輸出盤等零件組成。特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)精度穩(wěn)定，有較高的疲勞強(qiáng)度和剛度、使用壽命長。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.工業(yè)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)2.諧波減速器組成：主要由一個有內(nèi)齒的剛輪、能徑向彈性變形

用途：主要裝置在小臂、腕部或手部等輕負(fù)載位置。的外齒柔輪、一個裝在柔輪內(nèi)部的波發(fā)生器三部分組成。特點(diǎn)：傳動比大、傳動精度和傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可向密閉空間傳遞運(yùn)動。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)3.服務(wù)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)一部分對定位精度和重復(fù)定位精度要求比高的服務(wù)機(jī)器人，其傳動機(jī)構(gòu)需要使用諧波減速器或RV減速器，而大部分服務(wù)機(jī)器人都廣泛采用以下傳動機(jī)構(gòu)：1）齒輪傳動，如直齒輪、斜齒輪、圓錐齒輪、齒輪齒條等2）鏈傳動3）同步帶傳動4）滾珠絲桿傳動5）蝸輪蝸桿傳動5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)3.服務(wù)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)6）棘輪傳動7）曲軸連桿傳動8）直線運(yùn)動部件，如直線導(dǎo)軌、直線軸承、氣缸、液壓缸等。一：直線運(yùn)動部件

特點(diǎn)：（1）運(yùn)動平穩(wěn)、精度高；（2）互換性強(qiáng)（標(biāo)準(zhǔn)件）；（3）剛度高；（4）質(zhì)量大；適用場合：（1）多與滾珠絲桿配合，實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。（2）安裝自適應(yīng)的編碼器。1、直線導(dǎo)軌

（2）直線軸承適用場合：（1）多用于安裝自適應(yīng)的編碼器，需要成對適用

特點(diǎn)：（1）容許載荷較??；（2）摩擦阻力最小，精度高，

運(yùn)動快捷。

（3）軸承盒特點(diǎn)：（1）形式多樣；（設(shè)計(jì)者依據(jù)自己的設(shè)計(jì)適用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)）（2）運(yùn)動平穩(wěn)、其精度由設(shè)計(jì)、加工和安裝精度決定；（3）對構(gòu)件經(jīng)行完全約束，可獨(dú)立使用；（4）工藝簡單、質(zhì)量輕；適用場合：（1）多用于搭建升降平臺；（2）機(jī)械手的伸縮平臺；

（4）氣缸特點(diǎn)：（1）質(zhì)量輕、行程短、響應(yīng)快適用場合：（1）多用于機(jī)械手的動力部件

幾種常用氣缸類型單動氣缸氣動爪雙動氣缸

二、機(jī)器人常用傳動1、線傳動特點(diǎn)：（1）線傳動機(jī)構(gòu)精巧、安裝方便、占用空間極??；（2）由于設(shè)計(jì)、制造簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便、因此，線傳動成本低；（3）線傳動易摩擦受損，需要定期檢查并及時更換。；（4）線傳動易于發(fā)生線壓線的情況，因此傳動比不精確；（5）線傳動需要預(yù)緊。

鋼絲線傳動實(shí)例

2、鏈傳動特點(diǎn)：（1）傳遞功率大，過載能力強(qiáng)；（2）所需的張緊力小，對軸的壓力??；（3）平均傳動比準(zhǔn)確；（4）傳動平穩(wěn)性差，易磨損，磨損易跳齒；（5）質(zhì)量大；鏈傳動：通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運(yùn)動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。

鏈傳動應(yīng)用實(shí)例

單排鏈雙排鏈鏈輪鏈條長度以鏈節(jié)數(shù)來表示。鏈節(jié)數(shù)最好取為偶數(shù)，以便鏈條聯(lián)成環(huán)形時正好是外鏈板與內(nèi)鏈板相接，接頭處可用彈簧夾或開口銷鎖緊。若鏈節(jié)數(shù)為奇數(shù)時，則需采用過渡鏈節(jié)。在鏈條受拉時，過渡鏈節(jié)還要承受附加的彎曲載荷，通常應(yīng)避免采用。

3、同步帶傳動特點(diǎn)：（1）帶與帶輪間無相對滑動,傳動比恒定、準(zhǔn)確；（2）傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；（3）傳遞速度快、中心距大、傳動比大（4）由于預(yù)拉力小，承載能力也較??；（機(jī)器人比賽足夠）（8）安裝精度要求高，要求有嚴(yán)格的中心距，長距離需要安裝張緊輪或中心距可調(diào)。

同步帶傳動實(shí)例同步帶輪同步帶

同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人制作中使用較多

同步帶傳動應(yīng)用實(shí)例

同步帶傳動在驅(qū)動中的應(yīng)用：

4、滾珠絲桿傳動特點(diǎn)：（1）制造精度高；（2）微進(jìn)給、控制位置精度高；（3）無側(cè)隙、剛性高；（4）進(jìn)給速度快；

（5）質(zhì)量大；

4、滾珠絲桿傳動

5、齒輪齒條傳動特點(diǎn)：（1）傳遞動力大、功率高、速度快、傳動比大；（2）工作平穩(wěn)、可靠，傳動比精確；

（3）傳動位置精確，易于控制；

（4）安裝精度要求較高；

（2）質(zhì)量大，通常用塑料齒輪、齒條。

齒輪齒條傳動斜齒圓柱齒輪傳動蝸輪蝸桿傳動圓錐齒輪傳動轉(zhuǎn)盤與電機(jī)的配合：

6、氣壓傳動特點(diǎn)：（1）成本低、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、動作快；（2）可重復(fù)次數(shù)少（沖一次氣只能用幾次），工作速度穩(wěn)定性較差

；（3）接口處易漏氣；（4）工作壓力比較小，輸出力不大；

氣動是機(jī)械手最常用的傳動方式：

氣缸應(yīng)用于提升裝置

氣缸應(yīng)用于提升裝置

7、蝸輪蝸桿傳動蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)常用來傳遞兩交錯軸之間的運(yùn)動和動力特點(diǎn)：1.可以得到很大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊。2.兩輪嚙合齒面間為線接觸，承載能力大。3.蝸桿傳動相當(dāng)于螺旋傳動，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩(wěn)、噪音很小。4.具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿。5.傳動效率較低，磨損較嚴(yán)重。6.蝸桿軸向力較大。

渦輪蝸桿應(yīng)用實(shí)例

8、其他傳動方式棘輪傳動曲軸連桿傳動5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.1.4設(shè)計(jì)和制作機(jī)器人的一般過程1.機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容額定負(fù)載額定速度工作空間自由度驅(qū)動方式性能指標(biāo)1）基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)1.機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容運(yùn)動功能方案設(shè)計(jì)傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)總體方案評價2）總體方案設(shè)計(jì)5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)1.機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容裝配圖設(shè)計(jì)零件圖設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3）詳細(xì)設(shè)計(jì)5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的流程5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)2.機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的流程1）任務(wù)分析，總體設(shè)計(jì)。2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，框架外形設(shè)計(jì)，輪廓尺寸設(shè)計(jì)，電池、傳感器、主板的安裝位置設(shè)計(jì)等。3）機(jī)械動作設(shè)計(jì)：行走方式和路線規(guī)劃、結(jié)構(gòu)承受能力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作編排等。4）電路設(shè)計(jì)：單片機(jī)選擇、電路的設(shè)計(jì)。5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)02.機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的流程5）硬件制作和組裝：結(jié)構(gòu)畫圖和制作，電路畫圖和電子元件焊接，主裝結(jié)構(gòu)件和電路板，安裝傳感器6）程序編寫7）總裝整合，調(diào)試修改8）機(jī)器人能力評價：智能評價、機(jī)能評價、物理能評價9）外型包裝THANKYOU第5章機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)教學(xué)目標(biāo)《機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》1.了解機(jī)器人常用的機(jī)械零件和機(jī)械結(jié)構(gòu)；2.掌握直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用方法。目錄頁P(yáng)AGEOFCONTENT5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)：依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置什么是電機(jī)？泛指所有實(shí)施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機(jī)械或裝置5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)的分類電機(jī)靜止的電氣設(shè)備——變壓器旋轉(zhuǎn)電機(jī)交流電機(jī)直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)同步電機(jī)異步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動機(jī)異步電動機(jī)異步發(fā)電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)使用中的變壓器水輪發(fā)電機(jī)電動機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)組5.2機(jī)器人電機(jī)電能的生產(chǎn)、傳輸和分配5.2機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動生產(chǎn)裝置和機(jī)械5.2機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件返回5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)的作用

電機(jī)電能的生產(chǎn)、傳輸和分配控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械和裝置發(fā)電機(jī)、變壓器電動機(jī)控制電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律變壓器電動勢運(yùn)動電動勢電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)定律也叫法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。

例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動勢（電壓）稱為感應(yīng)電動勢

。電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律中電動勢的方向可以通過楞次定律或右手定則來確定。右手定則內(nèi)容：伸平右手使姆指與四指垂直，手心向著磁場的N極，姆指的方向與導(dǎo)體運(yùn)動的方向一致，四指所指的方向即為導(dǎo)體中感應(yīng)電流的方向（感應(yīng)電動勢的方向與感應(yīng)電流的方向相同）。楞次定律指出：感應(yīng)電流的磁場要阻礙原磁通的變化。簡而言之，就是磁通量變大，產(chǎn)生的電流有讓其變小的趨勢；而磁通量變小，產(chǎn)生的電流有讓其變大的趨勢。電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)磁場對電流的作用是磁場的基本特征之一。實(shí)驗(yàn)表明：將長度為l的導(dǎo)體置于磁場B中，通入電流i后，導(dǎo)體會受到力的作用，稱為電磁力，也稱為安倍力。思考與討論

在電場中，電場強(qiáng)度的方向就是正電荷所受電場力的方向。那么，在磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向是不是通電導(dǎo)體在磁場中的受力方向呢？2.電磁力定律電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)

實(shí)驗(yàn)表明：通電導(dǎo)體在磁場中受力方向與電流方向和磁場方向有關(guān)。電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)F、B、I方向關(guān)系BIF示意圖安培力方向既與電流方向垂直又與磁場方向垂直，即垂直于電流和磁場所在的平面遵循左手定則BIF示意圖電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)左手定則：伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感應(yīng)線從掌心進(jìn)入,并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向再次提醒：一定要使用左手！電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)2.電磁力定律Bfi電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)電動機(jī)是機(jī)器人必不可少的器件之一。正是電動機(jī)的應(yīng)用使得機(jī)器人能夠完成與人類相似的動作。目前機(jī)器人一般都主要使用直流電機(jī)(有刷和無刷)、步進(jìn)電機(jī)及直流伺服電機(jī)(舵機(jī))。這三種電機(jī)的控制相對簡單，性能出眾，采用直流電源也容易實(shí)現(xiàn)。另外某些特殊應(yīng)用場合的機(jī)器人還使用了超聲波電動機(jī)、真空電動機(jī)等新型電動機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，易于快速起動、停車。（3）易于控制。（4）性價比高。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)缺點(diǎn)：與異步電動機(jī)相比，直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便，而且要使用直流電源。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)應(yīng)用：（1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。（3）家庭：電動縫紉機(jī)、電動自行車、電動玩具。（4）機(jī)器人：行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)1.直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)移動機(jī)器人所使用的直流電機(jī)主要是有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)1）有刷直流電機(jī)下圖表示的是一臺最簡單的兩極有刷直流電機(jī)模型，它由固定部分和轉(zhuǎn)動部分組成。固定部分：磁鐵、電刷轉(zhuǎn)動部分：環(huán)形鐵芯、繞組、換向片5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)有刷直流電機(jī)的物理模型圖它的固定部分（定子）上，裝了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一間隙。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)有刷直流電機(jī)的物理模型圖在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷A和B，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)給直流電機(jī)的兩個電刷加上直流電源，如圖（a），直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖2-21(b)所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流人，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。請判斷此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向？5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實(shí)際使用中的有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組不是由一個線圈構(gòu)成，而是由多個線圈連接而成，以減少電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)2）無刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向控制電路三部分組成。電機(jī)的主轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，主定子相當(dāng)于普通直流電機(jī)的電樞，在定子鐵芯槽中嵌有定子繞組。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)

2）無刷直流電機(jī)的工作原理當(dāng)定子繞組通過直流電時，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。與有刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理相似，為了使電機(jī)能夠持續(xù)地轉(zhuǎn)動起來，必須要讓轉(zhuǎn)子獲得單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩，這就要求定子電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化能適時地?fù)Q向。定子電流的方向變化是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向控制電路實(shí)現(xiàn)的。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)屬于直流永磁電機(jī)，與普通有刷、無刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子直接采用導(dǎo)線繞制成，沒有任何其他的結(jié)構(gòu)支撐這些繞線，繞線本身做成杯狀，因此也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)1、由于沒有鐵芯，極大地降低了鐵損（電渦流效應(yīng)造成的鐵心內(nèi)感應(yīng)電流和發(fā)熱產(chǎn)生的損耗）。最大的能量轉(zhuǎn)換效率（衡量其節(jié)能特性的指標(biāo)）：其效率一般在70％以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90％以上（普通鐵芯電機(jī)在15-50%)；2、激活、制動迅速，響應(yīng)極快：機(jī)械時間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到10毫秒以內(nèi)，在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏；3、可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性：自適應(yīng)能力強(qiáng)，自身轉(zhuǎn)速波動能控制在2％以內(nèi)；

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)4、電磁干擾少：采用高品質(zhì)的電刷、換向器結(jié)構(gòu)，換向火花小，可以免去附加的抗干擾裝置；5、能量密度大：與同等功率的鐵芯電機(jī)相比，其重量、體積減輕1/3-1/2；轉(zhuǎn)速一電壓、轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩一電流等對應(yīng)參數(shù)都呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)空心杯技術(shù)是一種轉(zhuǎn)子的工藝和繞線技術(shù)，因此可以用于直流有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。下圖是一個典型的有刷空心杯電機(jī)的剖面示意圖（瑞士MAXONMotorA.G．的典型空心杯電機(jī)），以及空心杯傳子繞組的實(shí)物照片。

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)

1端面法蘭2永磁體定子3外殼（磁回路）4轉(zhuǎn)子軸5轉(zhuǎn)子繞組6-7換向器8石墨電刷9稀有金屬電刷10外殼11電路連接端子

12滾珠軸承

13軸承5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)4）直流電機(jī)的選用直流電機(jī)的選用取決于其轉(zhuǎn)速與功率，轉(zhuǎn)速根據(jù)需要直接選取。轉(zhuǎn)矩定義為在距離軸心一定半徑距離上電機(jī)所輸出的切向力?？梢园阉胂蟪呻姍C(jī)帶著一個特定直徑的滑輪旋轉(zhuǎn)，吊起懸掛在滑輪邊緣上的一個重物。如果能夠通過直徑為lm的滑輪吊起lkg的重物，那它就輸出了1Nm的轉(zhuǎn)矩。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)電機(jī)的功率公式如下（以W為單位）：P＝Tω

式中，T——轉(zhuǎn)矩，單位是Nm。

ω——角速度，單位是rad/s。在電機(jī)工作范圍內(nèi)的任何狀態(tài)，都可以用這個公式來求得電機(jī)的功率。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)電機(jī)功率公式的第二種形式：

P＝Tnπ/30式中，T——轉(zhuǎn)矩，單位是Nm。n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是r/min。

P——電機(jī)功率，單位是W。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)電機(jī)的特性曲線電機(jī)的特性曲線如右圖。當(dāng)電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速的時候，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩最??；而電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩的時候，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為零。隨著轉(zhuǎn)速增大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小?？梢宰⒁獾皆诘竭_(dá)功率一轉(zhuǎn)速曲線上的某個點(diǎn)后電機(jī)功率上升的趨勢停止并呈現(xiàn)下降趨勢，該點(diǎn)所對應(yīng)的值即為最大功率Pmax。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)的最大功率對應(yīng)于轉(zhuǎn)矩為1/2最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為1/2最大轉(zhuǎn)速（即空載速度）的情況，其公式如下：Pmax＝1/4Tmaxωmax

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動電路直流電機(jī)的驅(qū)動控制都是采用晶體管放大器來實(shí)現(xiàn)的。線性放大器的優(yōu)點(diǎn)：在運(yùn)行范圍內(nèi)有比較好的線性控制特性，沒有明顯的控制滯后現(xiàn)象，控制速度范圍寬，對附近的電路于擾小。線性放大器的缺點(diǎn)：線性放大器工作時產(chǎn)生大量的熱量，效率和散熱問題嚴(yán)重，其最高效率不超過50%，必須采用大的功率器件，加大散熱面積。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動電路開關(guān)式放大器中，輸出級的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，即飽和導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)。截止?fàn)顟B(tài)的器件不消耗能量，而飽和導(dǎo)通的功率器件上的壓降又很小，這樣功率輸出級的損耗就很小，整體的效率就高。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動電路幾種基本的功率放大電路：(1)全部采用NPN晶體管構(gòu)成的H橋電路(2)采用NPN和PNP型晶體管射極跟隨器構(gòu)成的H橋電路(3)采用PNP和NPN型晶體管集電極跟隨器構(gòu)成的H橋電路5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)2．脈寬調(diào)制變換電路脈寬調(diào)制變換電路，即PWM變換電路，是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。它有不可逆和可逆兩類。機(jī)器人大賽中使用的都是可逆PWM變換電路?？赡孀儞Q器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在機(jī)器人大賽中的控制變得非常簡單。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(1)結(jié)構(gòu)

組成：定子、轉(zhuǎn)子

都由硅鋼片等導(dǎo)磁材料制成。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(1)結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開0、1/3τ及2/3τ(相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距，以τ表示)，即A與1相對齊，B與齒2向右錯開1/3τ，A′與齒5相對齊（A就是A′，齒5就是齒1），定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖所示。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊（此時轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)B相通電，A、C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3τ，齒3與C偏移為1/3τ，齒4與A偏移2/3τ（τ-1/3τ）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)C相通電，A、B相不通電時，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ，齒4與A偏移為1/3τ。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)A相通電，B,、C相不通電時，齒4與A對齊轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ。這樣經(jīng)過A、B、C、A的分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1的前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理如果不斷地按A、B、C、A...…通電，電機(jī)就每步（或每脈沖）1/3τ。如按A、C、B、A...…通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見，電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向則由導(dǎo)電順序決定。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面的考慮，往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),這樣將原來每步1/3τ改變?yōu)?/6τ甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3τ變?yōu)?/12τ，1/24τ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理不難推出：電機(jī)定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m，…(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制—這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件，理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)。出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)2．感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)2．感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相八拍運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式，其條件為。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)：(1)相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N,S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。(2)拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.(3）步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例，四拍運(yùn)行時步距角為360°/(50X4)=1.8°（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為360°/(50X8)=0.9°（俗稱半步）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)：(4)定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成）。(5)最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax(Nm)：定子繞組通入電脈沖，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子靜止時，由外力使轉(zhuǎn)子離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)矩稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。它反映了步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力和動作的快速性。步進(jìn)電機(jī)可驅(qū)動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)比最大靜轉(zhuǎn)矩小得多，一般為（0.3～0.5)Tmax。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)：(1）步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差／步距角X100％。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在5％之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在15％以內(nèi)。(2)失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。(3)失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)：(4)最大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。(5)最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。(6)運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)：(7)電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180~250pps（每秒脈沖數(shù)）之間（步距角l.8°）或在400pps左右（步距角為0.9°)，電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)越向上偏移；反之亦然。為使電機(jī)輸出力矩大、不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)應(yīng)偏移共振區(qū)較多。(8)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時序?yàn)锳B-BC-CD-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序?yàn)镈A-CD-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)選擇的型號便確定下來了。選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循如圖所示的步驟5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(1)步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36°/0.72°（五相電機(jī)）,0.9°/1.8°（二、四相電機(jī)）,1.5°/3°（三相電機(jī)）等。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(2)靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，往往是先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速），兩種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行時只要考慮摩擦負(fù)載即可。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍為好。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(3）電流的選擇靜力矩相同的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源及驅(qū)動電壓）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(4)力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P＝ω?MP＝2πnM/60其中，P為功率，單位為W,ω為角速度，單位rad/s，n為轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)／min，M為力矩，單位為Nm。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)選用中的注意點(diǎn)：(1)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合，一般轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)／min(0.9°時6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9°）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)工作效率高，噪音低。(2)步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。(3)由于歷史原因，除標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓，當(dāng)然12V的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫升。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)選用中的注意點(diǎn)：(4)電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，這樣做既可使電機(jī)不失步，又可以在減少噪音的同時提高停止的定位精度。(5)高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)選用中的注意點(diǎn)：(6)電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼來解決。(7)電機(jī)在600pps(0.9°）以下工作時，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。(8)應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須用環(huán)形脈沖、功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖所示。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．脈沖信號的產(chǎn)生脈沖信號一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3~0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)2．信號分配以二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例，二相電機(jī)工作方式一般有二相四拍和二相八拍兩種，具體分配如下：二相四拍為AB-AB-AB-AB，步距角為1.8°；二相八拍為AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB，步距角為0.9°。四相電機(jī)工作方式也有兩種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB，步距角為1.8°；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB，步距角為0.9°。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)3．功率放大功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大，就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不同的驅(qū)動方式。到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸人脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸人脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動電路①控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C相的通斷。②控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式按正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動電路③控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動電路基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：該單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由51單片機(jī)（以AT89C51為例）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源（脈沖分配器和功率驅(qū)動）、步進(jìn)電機(jī)等部分組成，其控制框圖如圖所示?？刂葡到y(tǒng)框圖5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動電路基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：由單片機(jī)給出脈沖信號，經(jīng)脈沖分配器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作方式所需的各相脈沖信號，功率驅(qū)動電路對脈沖分配回路輸出的弱信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)所需的激勵電流。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)伺服電機(jī)（以下簡稱舵機(jī)）是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點(diǎn)是可控。在有控制信號時，舵機(jī)就轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號電壓后，舵機(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

1.伺服電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)伺服電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。類型：1）交流伺服電動機(jī)正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。2）直流伺服電動機(jī)

梯形波控制，轉(zhuǎn)矩脈動較大；但結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)和驅(qū)動器5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)交流電機(jī)編碼器交流電機(jī)電源線編碼器信號輸出線外觀結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、編碼器、電源線和編碼器信號線。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)交流電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)外殼電纜插頭編碼器交流電機(jī)定子內(nèi)部由定子、轉(zhuǎn)子和編碼器等組成。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)伺服電機(jī)的定子由鐵心和線圈組成。電氣原理圖控制繞組勵磁繞組5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子有籠型和杯型兩種。籠型轉(zhuǎn)子：鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)形成一體，或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。杯型轉(zhuǎn)子：呈薄壁圓筒形，置于內(nèi)外定子之間?；\型轉(zhuǎn)子杯型轉(zhuǎn)子5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)工作原理：當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，在空間形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。假設(shè)永久磁鐵按順時針方向以轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)，那么它的磁力線就以順時針方向切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)右手定則可以判定，在N極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向?yàn)榇怪钡貜募埫娉鰜?，而在S極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢方向?yàn)榇怪钡剡M(jìn)入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過短路環(huán)連接起來的，因此在感應(yīng)電勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會有電流流過。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)工作原理：此時，根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力原理，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，這個電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上，并對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則判斷電磁力方向可知，電磁轉(zhuǎn)矩方向