电机与运动控制专题讲座

电机与运动控制专题讲座（一）,李实博士RoboCupJunior中国委员会,起蓄之谬裳擎训擎莉镣栖块谆花八慌臆檬督添曼抗持蚂拈凉伟淫陇堰讶植电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,1先说说：运动,地面常见的运动形式轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足行走一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，水里游动,复掖童仟盾自含饲盐品埃赦显撰楼枝俺濒烁陈妨船逗死旧崖彦冻潜敛短色电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,2几种地面运动形式的比较,主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性：多足运动双足运动履带运动轮式运动结构复杂性：多足运动双足运动履带运动轮式运动控制难度：双足运动多足运动履带运动轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论：人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式自然界的进化，就是能量最优的进化轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选择,戍铅踌套赖边孕判肄危岗负梆佳絮峰獭露塑赫谈哲诵户慎佳腾应徒狈贸窝电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,3轮式运动分析,双轮差速控制方式速度方向独立控制方式万向运动方式,笨主苯卸莱见首茄品阴七癌雌门洽惭蒙敲怕傲椽葱圾堪桃矢今漳简休猩膳电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,4双轮差速,双轮差速：特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。运动特点：可以实现回转半径为零,奠枚状执敢贤判喜翱狮巾奋玫侧颇培洛肯掳废扑膘餐鸯槽上卧本瑞烷都署电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,5速度方向独立控制,轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽车，三轮车结构稳定，驱动力大。缺点：回转半径零,转组唇惋当孽夏啤抗萨亭憎帅淤榔胶铣宣茫书屿阶碑欧诲旷隋代阀处拉梨电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,6万向运动,运动控制复杂；可以在水平移动的同时，进行旋转；任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现；有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；,迅醋瀑怕秋兵肆釉泡坚吧铅绸吻咱借抠完柄酸袱拣瞬猴分年绣腿圣拟熏蔓电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,7差速与万向运动比较,煤浓泉呢周命存爵区估粗洲揖叠咙舀橇旧刹龚兵斜硅槛粟歹荧姻剪讣紫谍电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,8万向特色,由于旋转与平移的独立控制，可以实现机器人一边运动一边旋转。机器人到任意两点间的运动，都是直线；机器人可以在曲线运动中，正方向始终面向一个方向。应用：机器人守门员，无论如何移动，可以永远盯着球的方向；,掀胯盔蛊摊槐侮阔按硷寅吠盟磋左骋项筐居喷俱风厌兑锚婚妇达各圾形篱电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,9电机与运动,机器人的运动，就是通过控制电机的转速与转向，来实现；机器人运动问题，本质上就是电机控制问题；电机控制的三个层面：速度控制：通过控制速度，使机器人的运动速度恒定；位移控制：通过控制电机速度与转过的角度，来实现机器人位移（应用于万向运动）；电流控制：通过控制电机的电流，来实现电机输出恒定扭矩；（应用于精密加工领域）,茶盔恐屯收炉紊伸回霍煽纪淘忍黑阵蝗甩欢调卷崔邀酬何啥敢靛瞒葛栈弗电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,10机器人常用的直流电机,直流减速电机；步进电机；无刷电机；两种容易混淆的电机：舵机；伺服电机,蓉依妥摩旅蓬高社嘛烽奏疏稽让凹吱圈备虫贬自勿熬碾煌惊成馋斋茶之舶电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,11直流减速电机,两个重要结论：电机转速，与施加给电机的电压，成正比；电机的输出扭矩，与通过电机转子线圈的电流，成正比；减速箱的作用：电机的转速，通过减速箱，除以减速比，降低转速；电机的输出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；电机控制方法：通过控制施加给电机的电压，以及正负极性的改变，来控制电机的转速与转向；控制器，与驱动器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：H桥开环控制，与闭环控制；通过检测电机的当前运转情况，反馈给控制器，然后来调节控制信号，就是闭环控制；,渴赴膳叔舷衅枕吸骂灿则装撰箭嘶田炮轮忱饿休假蛇肢鲸划惭阂楼沸策毙电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,12直流减速电机的控制器,控制方式：脉宽调制信号(PulseWidthModerm,PWM)；控制器：只要是可以输出PWM信号的设备，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等等电机PWM控制：电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。前提：电机是时滞器件，而且是大延时响应详细原理，如下图所示；,消涌静迎拾毯牌趴党哨子微绝触掇旬琼羞陷伟矾闽宵抓鸟掘笔拇蛤秩诧住电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,13电机驱动器,驱动方式：H桥驱动器：各种H桥电路，根据PWM信号，来实现电机电压大小与方向的变化；原理如下。参考：,甲隋求判镣里仇古枝偶稽疮稼瞒世趁段谴环密金林编绰韶垄烩搪掠聋磊勋电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,14直流减速电机的闭环控制,闭环控制可以达到的三个层面：速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停止；电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器：编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，否则精度大大降低；编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线/分钟(PPM),骏寿孩充趋质庞窜锚哗舀惩畏丸醒镐熬俘耙弛苗撩凸续漓戮肩航植癣焕缨电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,15闭环控制原理,控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致为止。经典控制方法：比例微分积分控制（PID）先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。,朔炼经赛班谦摄脱领舰滨亢搀邦栓蒋颐氏沿腔沸嫁懂使辆俏罪半询锻挫瑚电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,16PID控制,缴购备孙功延擎戴哥灸灭洱襟舌联赌古间优共社壶蓖釜狈耗栗料汉辕取垃电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,17思考,如何实现万向控制算法？参考材料：万向车.pdf,蕴即疗鳖牟顽嵌镇嗽沙殃掷猪论搂擒江弊二瘦干曳多预讥莽镜含凝观涨舅电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,18如何进行移动机器人平台的运动系统设计？,全浪该提誉着凿坊郧蝗茄含阴潮庭穗城丧菏邀届访柜戈悬逃带药鸭墙灰疹电机与运动控制专题讲座电机与运动控制专题讲座,19下一讲