机器人控制系统学习教案

1、会计学1机器人控制系统机器人控制系统(kn zh x tn)第一页，共101页。关节(gunji)机器人第1页/共100页第二页，共101页。水下(shu xi)机器人第2页/共100页第三页，共101页。仿生机器人第3页/共100页第四页，共101页。第4页/共100页第五页，共101页。第5页/共100页第六页，共101页。拟人(nrn)机器人第6页/共100页第七页，共101页。拟人(nrn)机器人第7页/共100页第八页，共101页。并联(bnglin)机器人第8页/共100页第九页，共101页。中心中心(zhngxn)控制器控制器信号处理信号处理放大电路放大电路驱动电路驱动电路执行机

2、构执行机构传感器传感器其它电路其它电路输入输出输入输出电源电源软件软件第9页/共100页第十页，共101页。第10页/共100页第十一页，共101页。第11页/共100页第十二页，共101页。第12页/共100页第十三页，共101页。第13页/共100页第十四页，共101页。单片机单片机特点特点:结构结构(jigu)简简单单,经济性好经济性好应用应用(yngyng)：简单结构的机器简单结构的机器人控制人控制第14页/共100页第十五页，共101页。特点特点:抗干扰能力较抗干扰能力较强、运算速较快、能强、运算速较快、能适应适应(shyng)多种操多种操作系统。作系统。应用：较复杂应用：较复杂(f

3、z)的机器人的机器人须较强运算能力的机器须较强运算能力的机器人。人。第15页/共100页第十六页，共101页。特点特点(tdin)：运算速度比微处运算速度比微处理器快，实时性理器快，实时性好，适合嵌入式好，适合嵌入式的实时数字信号的实时数字信号处理。处理。应用：结构应用：结构(jigu)较复杂，实时性要较复杂，实时性要求较高的机器人求较高的机器人第16页/共100页第十七页，共101页。独立式运动独立式运动(yndng)控制卡控制卡英国英国(yn u)翠欧运动控制卡翠欧运动控制卡国产国产MPC05运动控制卡运动控制卡第17页/共100页第十八页，共101页。基于基于(jy)PC的运动控制卡的运

4、动控制卡PCI总线总线(zn xin)的运动控制卡的运动控制卡(国国产产PCI208)104总线总线(zn xin)的运动控制卡的运动控制卡(美国美国PMAC)第18页/共100页第十九页，共101页。第19页/共100页第二十页，共101页。第20页/共100页第二十一页，共101页。红外光电传感器红外光电传感器光纤传感器光纤传感器第21页/共100页第二十二页，共101页。接触式的行程开关接触式的行程开关第22页/共100页第二十三页，共101页。非接触式的开关有电容和电感等形式非接触式的开关有电容和电感等形式(xngsh)上图是上图是一种电容式接近开关一种电容式接近开关第23页/共100

5、页第二十四页，共101页。右图为用于测量电机右图为用于测量电机(dinj)转速和角位移的增量转速和角位移的增量式编码器式编码器第24页/共100页第二十五页，共101页。压力压力(yl)传感器传感器测力测力(c l)传感器传感器温度传感器温度传感器位移位移(wiy)传感器传感器扭矩传感器扭矩传感器第25页/共100页第二十六页，共101页。测距超声传感器测距超声传感器邦纳超声传感器邦纳超声传感器超声传感器主要超声传感器主要(zhyo)用于测距和机器人定位用于测距和机器人定位.第26页/共100页第二十七页，共101页。电源检测传感器主要有电流电源检测传感器主要有电流(dinli)和电压传感器和

6、电压传感器,其作用是对其作用是对电源进行监测防止由于电源的变化引起的机器人故障电源进行监测防止由于电源的变化引起的机器人故障,可根据电源参数的变化判断机器人有无故障可根据电源参数的变化判断机器人有无故障.主要有电流主要有电流(dinli)和电压传感器和电压传感器.霍尔电流霍尔电流(dinli)传感器传感器接入式电流传感器接入式电流传感器第27页/共100页第二十八页，共101页。电压电压(diny)传感器传感器第28页/共100页第二十九页，共101页。第29页/共100页第三十页，共101页。瑞士瑞士(ru sh)MAX公司的闭环驱动器公司的闭环驱动器第30页/共100页第三十一页，共101

7、页。自制自制(zzh)的驱动信号接口板的驱动信号接口板第31页/共100页第三十二页，共101页。自制自制(zzh)的场效应管驱动器的场效应管驱动器(开环开环)第32页/共100页第三十三页，共101页。大功率大功率三极管三极管大功率大功率场效应场效应管管固态固态(gti)继继电器电器可控硅可控硅第33页/共100页第三十四页，共101页。第34页/共100页第三十五页，共101页。交流交流(jioli)伺服电机伺服电机直流伺服电机直流伺服电机第35页/共100页第三十六页，共101页。步进电机步进电机(dinj)无刷电机无刷电机第36页/共100页第三十七页，共101页。第37页/共100页

8、第三十八页，共101页。锂电池锂电池:体积小体积小寿命长寿命长,放电放电(fng din)平平稳稳铅酸电池铅酸电池(dinch):体体积大积大,放电不放电不平稳平稳镍氢电池镍氢电池:体积较体积较小小小小,寿命较长寿命较长,放电放电平稳平稳第38页/共100页第三十九页，共101页。开关电源开关电源:体积体积(tj)小效率高小效率高模块电源模块电源:体积体积(tj)小小,电压稳电压稳普通电源普通电源:体积体积大大,效率低效率低第39页/共100页第四十页，共101页。第40页/共100页第四十一页，共101页。第41页/共100页第四十二页，共101页。第42页/共100页第四十三页，共101页

9、。第43页/共100页第四十四页，共101页。直流电机调速图示直流电机调速图示第44页/共100页第四十五页，共101页。速度速度(sd)和占空比之间的关系和占空比之间的关系第45页/共100页第四十六页，共101页。电机电机(dinj)控制示意图。控制示意图。第46页/共100页第四十七页，共101页。 控制数据控制数据运转运转状态状态开关状态开关状态PA1 PA0SW1 SW2 SW3 SW410正转正转100101反转反转011011刹车刹车010100滑行滑行0000双向控制双向控制(kngzh)电动机工作状态真值电动机工作状态真值表表 PA0、PA1为为0时，时，SW1、SW3才有可

10、能导通才有可能导通 SWx状态：状态：PA0、1为为1时导时导通，为通，为0时截止时截止(jizh) SWx用的是场效应管用的是场效应管PB0-PB7：设置脉冲宽度，：设置脉冲宽度， 即方波的占空比即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器：四总线三态缓冲器电机控制过程电机控制过程(guchng)实例实例第47页/共100页第四十八页，共101页。开环脉冲宽度调速系统的组成开环脉冲宽度调速系统的组成 由五部分组成：由五部分组成： （1）占空比）占空比D的的 设定设定 1）用电位器调节）用电位器调节(tioji)、2）用拨码开关、）用拨码开关、3）用数字键盘）用数字键盘 （2）脉冲宽度发生器

11、）脉冲宽度发生器 软件编程软件编程 （3）驱动器）驱动器 TTL放大电路放大电路 （4）电子开关）电子开关 用晶体管、场效应管、可控硅、继电器用晶体管、场效应管、可控硅、继电器 （5）电动机）电动机直流电机调速系统结构（开环）直流电机调速系统结构（开环）第48页/共100页第四十九页，共101页。第49页/共100页第五十页，共101页。 为了提高电动机脉冲宽度为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。闭环脉冲宽度调速系统。 闭环系统是在开环系统的闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度基础上增加了电动机的速度检测回路检测回路(hul)，

12、意在将检，意在将检测到的速度与给定值比较，测到的速度与给定值比较，并由数字调节器（并由数字调节器（PID）进）进行调节。其原理框图如左图行调节。其原理框图如左图所示。所示。闭环调速速示意图闭环调速速示意图第50页/共100页第五十一页，共101页。机理：机理： 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号(xnho) 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。 特点：特点： (1)给一个脉冲，转一个步距角。给一个脉冲，转一个步距角。

13、(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。改变脉冲顺序，改变转动方向。第51页/共100页第五十二页，共101页。通常通常(tngchng)(tngchng)按励磁方式分为三大按励磁方式分为三大类：类：以反应式为例说明步进电机的结构和原理以反应式为例说明步进电机的结构和原理第52页/共100页第五十三页，共101页。反应式步进电机反应式步进电机(dinj)的结构的结构第53页/共100页第五十四页，共101页。 (1 (1）三相绕组）三相绕组(roz)(roz)联接方式：联接方式：Y Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕

14、组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 第54页/共100页第五十五页，共101页。三相三相(sn xin)单三拍的特点：单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子）每来一个电脉冲，转子(zhun z)转过转过 30。此角称为步距角，用。此角称为步距角，用S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序顺序(shnx)，改变通电顺序，改变通电顺序(shnx)即可改变转向。即可改变转向。第55页/共100页第五十六页，共101页。（3）工作）工作(gngzu)过程过程化，吸引转子

15、，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，则在磁场的作用下，转子被磁转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子(zhun z)1(zhun z)1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐。对齐。CABBCA3412第56页/共100页第五十七页，共101页。CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对

16、齐，相对相轴线对齐，相对(xingdu)A相通电位置转相通电位置转30；1C342CABBAC相通相通(xingtng)电再电再转转30这种工作方式这种工作方式(fngsh)，因三相绕组中每次只有一相通电，而，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。第57页/共100页第五十八页，共101页。二、三相二、三相(sn xin)(sn xin)单双六拍单双六拍三相绕组三相绕组(roz)(roz)的通电顺序为：的通电顺序为： A AABABB BBCBCC CCACAA A 共六拍。共六拍。工作工作(gngz

17、u)(gngzu)过程：过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412第58页/共100页第五十九页，共101页。所以转子转到两磁拉力平衡的位置所以转子转到两磁拉力平衡的位置(wi zhi)上。相对上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转子顺时针方向(fngxing)转动。转动。A、B相同相同(xin tn)时通电时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412第59页/共100页第六十页，共101页。总之，每个循

18、环周期，有六种通电总之，每个循环周期，有六种通电(tng din)状态，所状态，所以称为三相六拍，步距角为以称为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子(zhun z)2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15。第60页/共100页第六十一页，共101页。三相绕组三相绕组(roz)(roz)的通电顺序为：的通电顺序为： AB AB BC BC CA CA AB AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电第61页/共100页第六十二页，共101页。工作工作(gngzu)方式为方式为三相双三拍时，每通三相双三拍时，每通

19、入一个电脉冲，转子入一个电脉冲，转子也是转也是转30，即，即 S = 30。CA通电通电CABBCA3412以上以上(yshng)三种工作方式三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常较三相单三拍稳定，因此较常采用。采用。第62页/共100页第六十三页，共101页。实际采用的步进电机实际采用的步进电机(dinj)的步距角多为的步距角多为3度和度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生为产生(chnshng)小步距角，定、转子都小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是个

20、齿，定子仍是 6个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极，但每个磁极上也有五个齿。第63页/共100页第六十四页，共101页。转子转子(zhun z)(zhun z)的齿距等于的齿距等于360360/ / 40=9 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.5 4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿(xio (xio ch)ch)，齿宽和齿槽和转子相同。，齿宽和齿槽和转子相同。第64页/共100页第六十五页，共101页。工作原理：假设工作原理：假设(jish)(jish)是单三拍通电工作方式。是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时

21、，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120 ，含，含 120/9 = = 齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 个个齿。所以，齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转相的转子、定子相差子、定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转相的转子、定子相差子、定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）。）。31133226第65页/共100页第六十六页，共101页。若工作

22、方式若工作方式(fngsh)改为三相六拍，则每通一个电脉冲，改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。步进电机步进电机(dinj)的转动方向仍由相序决定。的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通相通(xingtng)电再转电再转3 （2）A 相断电、相断电、B 相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个 齿（齿（3 ），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。第66页/共100页第六十七页，共101页。 脉冲分配器脉冲分配器 脉冲发生器脉冲发生器 功率放大器功率放大器 步进步进 电动机电动机 指令指令 电源电源 步进电机步进电机(dinj)驱动结构图

23、驱动结构图步进电动机的驱动步进电动机的驱动(q dn)电源主要由脉电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器(也称功也称功率放大器率放大器)三部分组成。三部分组成。第67页/共100页第六十八页，共101页。第68页/共100页第六十九页，共101页。典型的微机控制步进电机系统典型的微机控制步进电机系统(xtng)如下图所示如下图所示 计算机控制步进电机需要计算机控制步进电机需要解决的问题：解决的问题： 1）脉冲序列的产生）脉冲序列的产生 2）方向速度控制）方向速度控制 3）程序设计）程序设计第69页/共100页第七十页，共101页。1、脉冲序列的生成、脉冲序

24、列的生成 脉冲序列如右图所示脉冲序列如右图所示 1）脉冲周期的实现）脉冲周期的实现 脉冲周期脉冲周期=通电时间通电时间+断电时间。断电时间。 通电时，计算机输出高电平使开通电时，计算机输出高电平使开 关闭合；断电时，计算机输出低电平使开关断开。关闭合；断电时，计算机输出低电平使开关断开。 通电和断电时间的控制，可以通电和断电时间的控制，可以(ky)用定时器，也可以用定时器，也可以(ky)用软件延时。用软件延时。 周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。 2）脉冲高度）脉冲高度 脉冲高度决定于元器件，对脉冲高度决定于元器件，对TTL电平为电平为0-

25、5V，对，对CMOS电平一般为电平一般为0-10V。常用的接口电路多为。常用的接口电路多为0-5V。第70页/共100页第七十一页，共101页。步进电动机的运行速度决定步进电动机的运行速度决定(judng)于绕组的通电频于绕组的通电频率。单片机控制步进电动机速度的方法有两种：率。单片机控制步进电动机速度的方法有两种：1. 软件延时法软件延时法在每次换相之后，调用一个延时子程序，待在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再执行换相子程序。周而复始延时结束后，再执行换相子程序。周而复始，即可发出一定频率的步进脉冲，使电机按，即可发出一定频率的步进脉冲，使电机按某一确定转速运转。改变某一确

26、定转速运转。改变(gibin)延时的延时的时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。节电机的转速。第71页/共100页第七十二页，共101页。2. 定时器延时法定时器延时法各种单片机都有数量不等的片载定时器各种单片机都有数量不等的片载定时器/计数器。计数器。加载某个定时器，当定时器溢出时就会产生中断加载某个定时器，当定时器溢出时就会产生中断信号，中止信号，中止(zhngzh)主程序的执行，转而执行主程序的执行，转而执行中断服务程序，这样可以产生硬件延时的效果。中断服务程序，这样可以产生硬件延时的效果。如将电机换相子程序放在定时器中断服务程序之如将

27、电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。而实现对电机的速度控制。 方向控制方向控制:改变改变(gibin)通电顺序即可通电顺序即可,如单三拍如单三拍ABC为正为正转转,CBA为反转为反转第72页/共100页第七十三页，共101页。有光隔的步进电机有光隔的步进电机(dinj)控制电路控制电路第73页/共100页第七十四页，共101页。 定定子子 永永磁磁转转子子 传传感感器器定定子子 传传感感器器转转子子 (a) 结构示意图结构示意图 (b) 定转子实际结构定转子实际结构 第74页/共100

28、页第七十五页，共101页。 位位 置置 检检 测测 器器 逆逆 变变 器器 电电 机机 本本 体体 控控 制制 信信 号号 控控 制制 器器 输输 出出 直直 流流 电电 源源 内部内部(nib)控制结构控制结构第75页/共100页第七十六页，共101页。传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B第76页/共100页第七十七页，共101页。传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：导通相：B第77页/共100页第七十八页，共101页。传感器：传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：导通相：C第78页/共100页第七十九页，共101页。传感器：传感器：H1=0

29、H2=1 H3=0导通相：导通相：C第79页/共100页第八十页，共101页。传感器：传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：导通相：A第80页/共100页第八十一页，共101页。传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B第81页/共100页第八十二页，共101页。三极管三极管光电隔离的器件光电隔离的器件(qjin)是光电三极管，是光电三极管，也称为光电耦合器也称为光电耦合器4N33光电耦合器光电耦合器第82页/共100页第八十三页，共101页。传感器传感器信号处理(xn ho ch l)放大电路采样采样(ci yn)保保持电路持电路A/D转换转换电路电路中心控中心控制

30、器制器接口电路接口电路第83页/共100页第八十四页，共101页。第84页/共100页第八十五页，共101页。光电光电隔离器隔离器为高时继为高时继电器闭合电器闭合(b h)继电器继电器线圈线圈(xinqun)保护保护(boh)二极管二极管电磁式继电器的工作原理和应用电路如图所示。电磁式继电器的工作原理和应用电路如图所示。 驱动电流一般为驱动电流一般为100mA左右，直流电压左右，直流电压5V、9V、12V、24V等等 选用时应考虑：选用时应考虑： 1、额定工作电压、电流、额定工作电压、电流 2、接点负荷、接点负荷 3、接点的数量、接点的数量与种类动断或动开）与种类动断或动开） 4、体积、封装、

31、工作、体积、封装、工作 环境、延环境、延迟时间等迟时间等继电器输出继电器输出第85页/共100页第八十六页，共101页。光电光电隔离器隔离器闭合时闭合时负载负载(fzi)工工作作三极管三极管保护保护(boh)二极管二极管固态继电器的工作原理固态继电器的工作原理(yunl):当当SW闭合时闭合时,光电隔离导通光电隔离导通,三极管导通负载三极管导通负载接通接通.固态继电器输出固态继电器输出:工作原理工作原理第86页/共100页第八十七页，共101页。步进电机步进电机(dinj)绕组绕组C保护保护(boh)二极管二极管直流直流SSR主要用于直流负载的场合主要用于直流负载的场合(chng h)输出工作电压输出工作电压3