【《机器人手臂驱动系统设计案例》2500字】

机器人手臂驱动系统设计案例机器人手臂的电动驱动装置从技术特性来说可以有多种形式，依据所采用的电动机不同而不同。在机器人中广泛应用的是直流成套可调、直流随动电驱动装置，其中包括电动机、变换器、变换器控制装置、电源电力变压器、电枢电路的扼流线圈，还有内装测速发电机、位移传感器和电磁制动器等，除了直流驱动系统，还有交流电动机、步进电动机及成套电动装置等。1.1机器人臂部电机选型通过各个电机产生的转矩和力，直接或间接驱动机器人主体，来产生各种运动的执行部件，这就是机器人的电动驱动系统。机器人手臂电机选择的要求如下：（1）快速性当得到命令信号时，机器人再执行命令，其中的工作时间很短，电机伺服系统的灵敏度与响应时间成反比。（2）启动转矩惯量比大机器人的自动伺服电机必须要有很大的初始转矩和较小的惯性矩才能驱动负载。。（3）必须与控制信号近似，因为当控制信号的变化时，控制特性的连续性和线性也不断变化。（4）调速范围宽能使用于1:1000~10000的调速范围。（5）体积小、质量小、轴向尺寸短。图2-10臂部关节电机驱动图机器人驱动系统中使用的电机，可分为以下几个类型：交流伺服电动机包括同步型交流伺服电机和步进电机等。直流伺服电动机包含惯性小的直流伺服电机、绕组直流伺服电机、惯性大的直流伺服电机和电枢直流伺服电机。（3）步进电动机含有感应式步进电动机。直流伺服电机的电刷容易磨损和产生火花，无刷DC电机也得到广泛应用。步进电动机驱动多为开环控制，它的角位移量或线位移量与电脉冲成正比，电机的转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就能够实现电机转速的调节，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流电机可以用旋转轴的角位移或角速度输出来代替输入的电压信号，如果要改变电机的转速和旋转方向，就改变控制电压。所以被广泛应用，具有以下优点：（1）调速范围广根据调整电压，直流电机转速可以连续调节到很大范围。（2）机械特性和调节性质都是线性的当控制电压恒定时，直流电机的转速随着转矩的变化而变化。当转矩不变时，速度随电压的变化而线性调整。（3）没有“自转”现象，直流电机在控制电压为零时，可以立即自动停止旋转。（4）与步进电机相比，体积较小，容易获得大功率。装置运行前，应进行以下检查：电源电压是否适当（驱动模块因过电压而损坏的可能性高）；2）不要把一开始需要连接的电线全部连接起来，而是连接成最基本的系统。运行良好后，逐步连接它们。3）必须弄清楚接地方法，还是不通过浮动连接。4）装置启动后，电机运行的状况应时刻注意，发现不正常情况立即停止。1.2PWM调速原理直流电机调速控制多为电枢电压控制法，它最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速，这种方法实现简单，但效率比较低，具有较软的机械特性，不能得到较宽和较平滑的调速性能随着电机技术的发展，特别是随着全控制电力电子器件的出现，产生了一种直流电机调速系统，是由脉宽调制的高频开关控制方式构成，也就是PWM调速系统。与其他系统相比，PWM系统在许多方面有很大的优势:（1）具有结构简单的主电路，只需要很少的功率器件。（2）具有较高的开关频率，电流容易连续，电机损耗和发热小。（3）有良好的调速性能，较大的调节速度范围，准确度高且稳定。（4）如果配合快速响应电机，系统具有宽频带、快速动态响应和强动态抗扰性。（5）直流电源是不可控整流时，整流器的功率低于电网。基于以上优点，选择PWM调速控制方式。脉宽调制控制主要由脉宽调制转换器控制，其主要功能是通过脉宽调节将恒定的直流电源电压调制成频率可变、宽度固定的脉冲电压序列，改变平均输出电压来调节电机的转速。PWM变换器电路形式有不可逆和可逆两种，不可逆PWM变换器有有限方式和非限制式两种。前者只使用一种电力电子器件，电流只向一个方向流动，容易发生电流中断，不发生制动作用；后者增加了电力电子器件，两个器件交替导通，可以产生相反方向的制动电流，并且可以保持电流的连续；可逆PWM变换器可以分为H型和T型，H是主要形式REF_Ref27313\r\h【27】。在H型电路中，由于电力电子器件驱动信号的不同，可分为双极型、单极型和有限单极型。其中，双极型PWM变换器是最常用的，它主要有以下优点:1）电流一定连续；2）可使电动机在四象限运行；3）当电机结束工作时，会产生很小的电流，这样能够消除静摩擦部分；4）在低速的情况下，各开关设备的驱动脉冲还很宽，有利于确保设备的可靠导通。图2-11H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路双极式控制可逆PWM变换器的平均输出电压为：（2-1）可以看出，改变PWM变换器的占空比即可调节电动机转速。调速时，的可调范围为，当时，电动机正向转动；当时，电动机反向转动；当时，电动机停止。但是，由于电机停止时的电枢电压不是零，而是正负脉冲宽度相等的交变脉冲电压，因此电流也交变，该交变电流的平均值为零，双极型控制的缺点是不产生平均转矩，白白增大电动机的损失，但是，它也有优点。即使电机结束运行，也会有高频振动电流通过，这样就可以消除正反两面的静摩擦部分REF_Ref27313\r\h【27】。1.3L298N原理及控制考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素，采用L298N来代替三极管所构成的驱动电路。该芯片的主要特点是工作电压高、输出电流大、瞬时峰值电流高达3A、工作电流连续2A、高压大电流两个H桥全桥驱动器，可用于驱动感应负载，如直流电机、步进电机、继电器、线圈等。它由标准TL逻辑电平信号控制，并有两个使能控制端子，允许或禁止设备工作，而不受输入信号的影响REF_Ref27685\r\h【25】。有逻辑电源的输入端子，可以在低电压下工作内部逻辑电路部分，外置检测电阻，将变化量反馈到控制电路，L298N的内部结构如图2-12所示。图2-12L298N内部结构图从上图可以看出，IN1~IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开关，即实现电机的正反旋转；ENA、ENB引脚则为使能控制端，当ENA、ENB处于高电平时，它们正常工作，低电平时不工作，SENSEA和SENSEB还可以用来连接电阻来检测电流REF