智能制造技术与数字化工厂 课件 第四章 工业机器人驱动与控制技术

第4章工业机器人驱动与控制技术

CONTENTS目录4.1工业机器人步进电机驱动与控制技术4.2工业机器人直流伺服电机驱动与控制技术4.3工业机器人交流伺服电机驱动与控制技术4.4工业机器人气压驱动与控制技术4.5工业机器人液压驱动控制应用步进电机的结构4.1.1

步进电机的工作原理

图4-1步进电机结构图步进电机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制类电机，常作为数字控制系统中的执行元件。定子一般是将线圈绕组固定在冲压叠加的硅钢片上制作而成的，定子可以由软磁材料开小齿或者直接用永磁材料不开齿或者二者的结合。根据定子结构的不同，可以把步进电机分为反应式、永磁式和永磁感应（混合）式。步进电机的工作原理4.1.1

步进电机的工作原理

图4-2四相反应式步进电机工作原理示意图按照步进电机的线圈组数（也称“相数”）的不同，一般可以分为单相、二相和多相步进电机。以四相步进电机为例，其定子上有八个磁极，转子上有六个磁极。将定子上相对的两个磁极作为一组即一相，当其中一相通电时转子就会转动一定角度，使得转子上的其中一对磁极与通电磁极对齐。如果三相绕组中的通电顺序为：A相B相C相D相，转子就会逆时针转动，连续通电一次转子转动一个磁极，即60°。以此可以得出电机转速与通电频率的相关性。步进电机的工作原理4.1.1

步进电机的工作原理

图4-2四相反应式步进电机工作原理示意图开始时，当开关接通电源，、、断开时，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组的磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关接通电源，、、断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐,而0、3号齿和A、B相绕组的磁极产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组的磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。步进电机的工作原理4.1.1

步进电机的工作原理

图4-3三种工作方式时序波形图四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩，又可以提高控制精度。步进电机在工业应用中的特点4.1.1

步进电机的工作原理

（1）一般步进电机的精度为实际步距角的3%～5%，且不累积。（2）步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。（3）即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。（4）步进电机与其他电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。（5）步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此步进电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在130℃以上，有的甚至高达200℃以上，所以步进电机外表温度在80～90℃完全正常。步进电机在工业应用中的特点4.1.1

步进电机的工作原理

（6）当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在反向电动势的作用下，电机随频率（或速度）的增大而使相电流减小，从而导致力矩下降。（7）步进电机在低频时可以正常运转，但若高于一定频率就无法启动，并伴有啸叫声。（8）四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。（9）混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般在一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。4.1.2步进电机的驱动方式1．恒电压驱动方式1）单电压驱动单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图4-4所示，L为电机绕组，为电源。当输入信号为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管处于饱和状态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻；为防止关断时绕组电流变化率太大，而产生很大的反电势将击穿，在绕组的两端并联一个二极管和电阻，为绕组电流提供一个泄放回路，也称“续流回路”。图4-4单电压驱动原理图步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。4.1.2步进电机的驱动方式1．恒电压驱动方式2）高低压驱动为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。如图4-5所示，、分别为高压管和低压管，、分别为高低压电源，

、

分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。图4-5高低压驱动原理图步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。4.1.2步进电机的驱动方式2．恒电流斩波驱动方式1）自激式恒电流斩波驱动通过把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D/A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，虽然自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。图4-6自激式恒电流斩波驱动框图步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。4.1.2步进电机的驱动方式3.细分驱动方式细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩；其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的概率。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分，如图4-7所示。图4-7二相电机4细分电流阶梯波步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。4.1.2步进电机的驱动方式3.细分驱动方式一般的细分方法只改变某一相的电流，另一相电流保持不变。如图4-7所示，在0°～45°，保持不变，由0逐级变大；在45°～90°时，保持不变，由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较为简单，在硬件上容易实现；但由图4-8所示的电流矢量合成图可知，所合成的矢量幅值是不断变化的，输出力矩也跟着不断变化，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分实际上失去了意义。图4-7二相电机4细分电流阶梯波步进电机控制技术主要包括步进电机速度控制、步进电机的加减速控制以及步进电机的微机控制等。4.1.3步进电机的控制技术1.步进电机的速度控制控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法来确定时钟脉冲的周期，一种是软件延时，另一种是用定时器。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法来实现的，它占用CPU时间。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。步进电机控制技术主要包括步进电机速度控制、步进电机的加减速控制以及步进电机的微机控制等。4.1.3步进电机的控制技术2.步进电机的加减速控制对于点位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行的速度小于系统的极限启动频率，则系统可以按照要求的速度直接启动，运行至终点后可以立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下速度可认为是恒定的。但在一般情况下，系统的极限启动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。如果系统以要求的速度直接启动，由于该速度超过极限启动频率而不能正常启动，可能发生丢步或不能运行的情况。图4-10点位控制的加减速过程步进电机控制技术主要包括步进电机速度控制、步进电机的加减速控制以及步进电机的微机控制等。4.1.3步进电机的控制技术2.步进电机的加减速控制系统运行后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则由于系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象，使点位控制发生偏差。因此在点位控制过程中，运行速度都需要有一个加速→恒速→减速→（低恒速）→停止的过程，如图4-10所示。各种系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。图4-10点位控制的加减速过程步进电机控制技术主要包括步进电机速度控制、步进电机的加减速控制以及步进电机的微机控制等。4.1.3步进电机的控制技术3.步进电机的微机控制（1）串行控制。串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间的连线较少，将信号送入步进电机驱动电源的环型分配器（在这种系统中，驱动电源必须含有环形分配器）。（2）并行控制。用微型计算机系统的数个端口直接控制步进电机各相驱动电路的方法，称为并行控制。在电机驱动电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微型计算机系统完成。由系统实现脉冲分配器的功能有两种方法：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；另一种是软、硬件相结合的方法，在这种接口中，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而后接口输出步进电机各相导通或截止的信号。步进电机控制技术主要包括步进电机速度控制、步进电机的加减速控制以及步进电机的微机控制等。4.1.3步进电机的控制技术3.步进电机的微机控制细分控制算法在步进电机控制中的应用就是直接以输入的电流作为控制对象，将输入的电流波形设置为拟正弦阶梯波，同时，相电流的反馈信号是闭环控制的，如图4-11所示，首先给定目标电流幅值和细分数，经过微步细分处理后得到类似正弦曲线的阶梯波，经过PI调节与SPWM调制后最终转变为PWM电压脉冲信号。图4-11步进电机细分控制框图分拣搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。4.1.4步进电机在分拣搬运机器人中的应用本机器人采用三轮车身结构，其结构示意图如图4-13所示。两前轮分别利用两个步进电动机驱动以控制方向和速度，后轮为万向轮，起平衡作用。该结构可以方便地实现对机器人的控制，最大的特点是可以实现原地转向，灵活且效率高。图4-13机器人结构示意图分拣搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。4.1.4步进电机在分拣搬运机器人中的应用机器人采用SST89E564RD单片机作为控制核心，采用步进电动机、舵机为动作器件，使用L298集成块驱动电路驱动步进电动机，使用舵机带动机械手夹取物块。加上光电传感器的配合，完成前进、后退、寻迹、左转、右转、机械手的张开与闭合等动作。系统框图如图4-14所示。图4-14系统框图步进电动机驱动模块4.1.4步进电机在分拣搬运机器人中的应用本机器人的步进电机驱动模块采用L298作为驱动芯片，用2片L298分别驱动左右两个步进电机。L298内部包括H型电路，该电路可以简单地实现步进电动机的控制，简化了硬件电路的结构。L298是一个高电压、大电流的全桥驱动器，它用于接收标准的TTL逻辑电平并驱动电感类负载，如步进电机、直流电机等。两个输入使能端能够独立地允许或者屏蔽输入信号。步进电动机驱动模块4.1.4步进电机在分拣搬运机器人中的应用步进电机驱动电路如图4-17所示，电路利用L298的ENA和ENB可以实现过流保护功能。当流过电阻R1或R2电流过大时，比较器的负端电压大于正端的电压，输出为低电平，ENA和ENB切断Q前面电路，起到过流保护作用。输出端共8个二极管起续流作用，保证电动机正常工作。图4-17步进电机驱动电路系统软件设计4.1.4步进电机在分拣搬运机器人中的应用主程序流程图如图4-18所示，本机器人的软件设计主要包括步进电机的控制和舵机的控制两部分。由于步进电机可以精确地控制到“步”，而且每一步走过的距离能够通过计算准确得到，因此对步进电机的控制就非常容易。选用2个型号相同的步进电机，一方面可以保证将机器人在白色区域走直线时的误差控制在很小的范围内，另一方面可以实现机器人左转或者右转任意规定的角度。和这两个传感器在机器人到达引导线时的修正作用，能够有效地消除累积误差，从而实现对机器人的控制高效、准确。图4-18主程序流程图系统软件设计4.1.4步进电机在分拣搬运机器人中的应用在单片机内分别存储了与步进电机前进、后退、左转、右转等状态对应的数据表，机器人在行走的过程中，首先搜索步进电机当前的状态，与数据表中的数据进行比较，根据机器人要做的动作，查找对应数据表中下一个状态的数据，将此状态赋给步进电动机，从而控制步进电机的运动。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，需要完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉冲宽度的调整，即采用单片机模拟PWM信号的输出，并且调整其占空比。本设计采用的方式是改变单片机定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。图4-18主程序流程图小结本节主要介绍了工业机器人步进电机驱动与控制技术，下一节介绍工业机器人直流伺服电机驱动与控制技术谢谢收看！CONTENTS目录4.2工业机器人直流伺服电机驱动与控制技术直流伺服电机的结构4.2.1直流伺服电机的工作原理

4-20直流伺服电机结构图直流伺服电机的控制电源为直流电压，依靠电枢气流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电机转动。通常采用电枢控制方式，在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电压来改变转速。电压越小转速越低，电压为零时，停止转动。因为电压为零时，电流也为零，所以电机不会产生电磁转矩，既不会出现自转现象。直流伺服电机的结构如图4-20所示。通常在电机尾部增加编码器作为反馈构成闭环控制。直流伺服电机的结构4.2.1直流伺服电机的工作原理

4-20直流伺服电机结构图直流伺服电机的启动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性线性度好，控制方便。但是由于直流伺服电机转子带铁芯，铁芯有齿有槽，因此电机性能上有缺陷，如转动惯量大、机电时间常数大、灵敏度差、转矩波动较大，低速运转时不平稳。换向火花带来的无线电干扰，会影响电机的寿命，使电机使用上受到一定的限制。直流伺服电机的结构4.2.1直流伺服电机的工作原理

图4-21直流伺服电机工作原理图如图4-21所示，直流伺服电机有一对磁极，电枢绕组只有一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。将直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力一致，使电枢转动。当线圈的有效边从

极下转到

时，由于换向器的作用，各有效边的电流方向同时改变，从而使电磁力的方向不变。直流伺服电机的结构4.2.1直流伺服电机的工作原理

图4-21直流伺服电机工作原理图伺服电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。其电磁转矩用下式表示：

其中，

为电磁转矩；

为磁极的磁通；

与电机结构有关的常数。4.2.2直流伺服电机的特点

（1）效率高。直流伺服电机的效率比传统电机的效率要更高，而且起动快速灵敏，能达到高能量的转换使用要求，在进行长时间的运行状态下还更节能，因此能更节省商家的用电成本，特别适合于长期性使用的用户。（2）寿命长。直流伺服电机的使用寿命非常高，由于碳刷的耐磨性能好因此故障发生率较低，虽然电机起动转矩大，但因为是低速力，转动波动小所以直流伺服电机运行更平稳，一般正常使用情况下基本不会产生损坏的现象。（3）噪声低。由于直流伺服电机零配件组合精密且结构简单，因此运行很稳定且平滑，没有任何过大的噪音产生，传统的电机需要安装耐磨的碳刷，因此封密性差，还会因为碳刷摩擦发生很大声响，因此直流伺服电机非常适合于高静音设备的使用要求。（4）调速性能好。所谓“调速性能”，是指电机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电机的转速。直流伺服电机可以在重负载条件下实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。（5）启动力矩大。直流伺服电机可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都采用直流伺服电机。4.2.3直流伺服电机的驱动技术

电机的驱动目前有线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式虽然控制方式简单，但是半导体器件工作在放大区会产生散热和功率损耗问题，因此目前多数采用的是开关驱动方式。这种方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电枢电压实现调速，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点。（a）原理图（b）输入输出电压波形图图4-22PWM调速原理电路4.2.3直流伺服电机的驱动技术

如图4-22所示，利用开关管对直流电机进行PWM调速原理电路图和输入输出电压波形。在图4-22（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，电机电枢两端输出电压

；经过时间

后，栅极输入低电平而截止，电机两端电压为零。经过时间

后，栅极重新输入高电平，如此重复进行。由此可以得到电机电枢两端电压的平均值

为（a）原理图（b）输入输出电压波形图图4-22PWM调速原理电路4.2.3直流伺服电机的驱动技术

图4-24是常用的H桥式双极性可逆PWM驱动系统的电路图。在每个PWM周期内的

时间，

是高电平，

、

导通，此时

、

截止，电枢电压方向为A到B，电机进行正转；在t1-t2时间内，电枢电压方向为B到A，如果电机带的是较大负载，则电机的电枢电流不能立即变向，电机仍然保持正转，但是电枢电流的幅值会有所下降。反转的情形正好相反。从分析也可以看出，在一个PWM的周期内，电枢两端的电压经历了正反两次变化，称之为“双极性”。正转与反转的电流波形如图4-25（a）和图4-25（b）所示。图4-24桥式可逆PWM调速原理电路4.2.3直流伺服电机的驱动技术

电机如果带轻载运行，此时由于负载的作用，电机的电流很小，电流波形基本在横轴上下波动。如图4-25（c）所示。（a）正转（b）反转（c）轻载图4-25双极性可逆驱动电路电流波形4.2.3直流伺服电机的驱动技术

在一个周期内电枢电压的平均值为：（a）正转（b）反转（c）轻载图4-25双极性可逆驱动电路电流波形4.2.4直流伺服电机的控制技术

一般的直流伺服电机调速系统通常采用双闭环结构：电流内环和速度外环，而伺服控制系统为双闭环系统外再加一个位置闭环。如图4-26所示为直流伺服控制系统的三闭环结构图。图4-26伺服控制系统的三闭环结构4.2.4直流伺服电机的控制技术

通常来说，控制系统需要在启动时尽量以允许的最大电流启动以获得最短的启动时间，这就需要电流负反馈的作用；而正常运行时需要转速负反馈起主要作用，将转速环作为外环，电流环作为内环，并将它们进行串级相联，这样就形成了转速电流的双闭环调速系统。图4-27直流伺服电机动态结构框图1．调速系统双闭环设计4.2.4直流伺服电机的控制技术

1．调速系统双闭环设计图4-27直流伺服电机动态结构框图4.2.4直流伺服电机的控制技术

2.电流环的工程设计方法图4-28电流环动态结构图图4-28中，

为电流环反馈系数。首先考虑把电流环校正成Ⅰ型系统还是Ⅱ型系统。从稳态性能上看，Ⅰ型系统已经满足稳态误差的精度要求；再从动态性能考虑，电流环应以跟随性能为主，因此应选择典型Ⅰ型系统。从由图4-29可知，电流环的控制对象是两个惯性环节的叠加，当采用PI型的电流调节器时，可将电流环校正成需要的典型Ⅰ型系统。图4-29电流环校正成典型Ⅰ型的结构图4.2.4直流伺服电机的控制技术

2.电流环的工程设计方法图4-28电流环动态结构图设PI型的电流调节器传递函数为图4-29电流环校正成典型Ⅰ型的结构图依据典型Ⅰ型系统的参数关系并结合实际的动态性能指标来决定。通常希望电流超调量不大于5%，阻尼比为0.707，这样再根据式以及式（4-12）可得在实际过程中根据系统要求的跟随性能不同和抗干扰性的要求还要对参数进行修正。4.2.4直流伺服电机的控制技术

3.速度环的工程设计方法由上一节可知，电流环在速度环中应等效为将速度调节器的输出作为电流环的给定可得转速电流双闭环的动态结构图，如图4-30所示。图4-30双闭环的动态结构图4.2.4直流伺服电机的控制技术

3.速度环的工程设计方法从图4-30中可以看出，在扰动点之后有一个积分环节。根据速度环的设计要求，需要速度无静差，则在扰动点之前也应该有一个积分环节，因此速度环的开环传递函数总共需要有两个积分环节，其中扰动点之前的那个积分环节应该在速度调节器中；同时考虑速度环对系统的动态抗扰性较高，这样速度环应设计成典型Ⅱ型系统，速度调节器应采用PI调节器。图4-30双闭环的动态结构图4.2.4直流伺服电机的控制技术

3.速度环的工程设计方法设其传递函数为：双闭环系统的开环传递为令速度环开环增益为图4-30双闭环的动态结构图4.2.4直流伺服电机的控制技术

3.速度环的工程设计方法则校正成典型Ⅱ型结构后的速度环系统动态结构框图如图4-31所示。在设计时按照典型Ⅱ型系统的参数关系并结合实际系统的动态性能的要求选择决定，因为

，所以

。其中

为中频宽度，一般选择

。图4-31速度环校正成典型Ⅱ型系统4.2.4直流伺服电机的控制技术

4.控制系统位置闭环设计图4-31速度环校正成典型Ⅱ型系统位置环的设计要求是希望输出位置准确地复现输入的位置信号，也就是说它更加强调跟随性能。因此将系统校正成典型Ⅰ型系统。4.2.5直流伺服电机在机器人驱动与控制中的应用电机伺服控制系统的整体设计方案图4-33电机伺服控制系统整体设计方案电动机伺服控制系统是以ARM9微处理器为核心，以LM629作为伺服控制调节器，以PWM功放电路为驱动器，以光电编码器为反馈元件构成的电机伺服系统。其中位置、选度、电流等调节器的功能都由微处理器来完成，其速度反馈由微处理器根据位置反馈量计算出来。电机伺服控制系统的整体设计方案如图4-33所示。4.2.5直流伺服电机在机器人驱动与控制中的应用电机伺服控制系统的整体设计方案图4-34LM629应用伺服运动控制器。LM629作为伺服控制调节器，除接收ARM9的指令集位置、速度、加速度三个运动参数和滤波器PID的参数外，同时还对输出信号进行处理，获得位置信号，经数字PID运算后输出PWM和反向控制信号，将其送给直流电机驱动芯片。4.2.5直流伺服电机在机器人驱动与控制中的应用电机伺服控制系统的整体设计方案图4-34LM629应用芯片LM629的连线很简单，它的数据总线与S3C240芯片进行通信，输入运动参数和控制参数，输出状态信息，PWM的输出信号直接连到H桥驱动器L298上。直流的反馈采用增量式编码器，编码器的A、B两相正交信号经LM629内部电路完成4倍频。C相信号是电机每转1圈产生的脉冲信号，用于精确回零。LM629应用框图如图4-34所示。4.2.5直流伺服电机在机器人驱动与控制中的应用直流电机伺服控制系统的软件设计图4-35PID算法原理在PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于

的大小，

越大，控制作用越强，但过大的比例系数会使系统不稳定。积分环节的作用是将偏差积累起来输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大，直到偏差为0，输出才能维持在某一常量，使系统趋于稳定。然而，积分环节的存在将使系统达到稳定的时间变长，控制系统的快速性。微分环节将对偏差立即纠正，而且还要根据偏差的变化趋势预先给予纠正。微分作用的引入将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统跟踪速度。4.2.5直流伺服电机在机器人驱动与控制中的应用伺服控制系统的数字PID参数设置若已知被控对象的数学模型，就可以用常规方法获得PID控制参数。但有些系统很难获得较为精确的数学模型，这时可通过试验来确定PID参数，一般有过渡过程响应法和临界稳定测量法两种方法，该系统采用临界稳定测量法来获得控制参数。首先采用比例环节对被控制对象进行控制，然后逐步加大比例系数，直到系统处于临界稳定状态，即系统开始出现振荡。测出此时控制器的比例系数，振荡周期，PID参数便可根据表4-1确定下来。小结本节我们介绍了工业机器人直流伺服电机驱动与控制技术，下一节介绍工业机器人交流伺服电机驱动与控制技术。谢谢收看！CONTENTS目录4.3工业机器人交流伺服电机驱动与控制技术4.3.1交流伺服电机的工作原理两相交流伺服电机的工作原理电机定子的构造与单相异步电机相似，其定子上装有两个空间相差90°的绕组，如图4-40所示，一个称为励磁绕组，它始终接在交流电压上;另一个是控制绕组，连接控制信号电压，这两个电压要求同频率。当定子绕组加上电压后，伺服电机很快就会转动起来。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。图4-40交流伺服电机工作原理示意图4.3.1交流伺服电机的工作原理两相交流伺服电机的工作原理交流伺服电机的激磁绕组和控制绕组在空间位置上相差90°，工作时激磁绕组通入恒定交流电压，控制绕组由伺服放大器供电通入控制电压，两个电压的频率相同，并且在相位上也相差90°。这样，两个绕组共同作用，在电机内部便产生了一个旋转磁场，在旋转磁场的作用下又会在转子中产生感应电动势和电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，带动转子转动，这与单相异步电机工作绕组和启动绕组一起通电的情况基本相同。图4-40交流伺服电机工作原理示意图4.3.1交流伺服电机的工作原理两相交流伺服电机的工作原理如何克服“自转”现象呢？对于两相感应伺服电机，取消控制电压后，只有励磁绕组通电，成为单相感应电机运行。励磁绕组产生的气隙磁场为脉振磁场，该脉振磁场可分为大小相等、转速相同、转向相反的两个圆形旋转磁场（正向旋转磁场和反向旋转磁场），如果电机的同步转速为，转子转速为n，则转子相对于正向旋转磁场的转差率为正向旋转磁场与转子感应电流相互作用产生的电磁转矩

，如图4-41中所示。转子相对于反向旋转磁场的转差率为

(a)转子电阻较小；(b)增大转子电阻但；(c)增大转子电阻至图4-41自转现象与转子电阻的关系4.3.1交流伺服电机的工作原理两相交流伺服电机的工作原理转子相对于反向旋转磁场的转差率为反向旋转磁场产生的电磁转矩

，如图4-41中的

所示。电机的总电磁转矩为这两个转矩之差，即

，

与转差率s的关系如图4-41中实线所示，这便是单相脉振磁场作用下的机械特性。由于每一圆形旋转磁场所产生的机械特性的形状与转子电阻大小有关，因此，由正向和反向圆形磁场合成的单相脉振磁场作用下的机械特性的形状也必然与转子电阻大小有关。 (a)转子电阻较小；(b)增大转子电阻但

；(c)增大转子电阻至

；图4-41自转现象与转子电阻的关系4.3.2永磁同步电机的工作原理图4-42所示为一个两极的永磁电机。当电机的定子绕组通交流电后，将产生一旋转磁场，在图中以一对旋转磁极N、S表示。当定子磁场以同步转速逆时针方向旋转时，根据异性极相吸的原理，定子旋转磁极就吸引转子磁极，带动转子一起旋转，转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度（同步转速）相等。当电机转子上的负载转矩增大时，定、转子磁极轴线间的夹角相应增大；反之，则夹角减小。定、转子磁极间的磁力线如同具有弹性的橡皮筋一样，随着负载的增大和减小而拉长和缩短。虽然定、转子磁极轴线之间的夹角会随负载的变化而改变，但只要负载不超过某一极限，转子就始终跟着定子旋转磁场以同步转速转动，即转子转速为 图4-42永磁同步电机原理4.3.2永磁同步电机的工作原理永磁同步电机的电磁转矩为式中m为电机的相数；P为电机的极对数；为电机的角速度；U、

为电源电压和空载反电动势有效值；

为电机直轴、交轴同步电抗；

为功角或转矩角。图4-42永磁同步电机原理4.3.2永磁同步电机的工作原理图4-43所示为永磁同步电机的电磁转矩—功角特性曲线，简称为矩角特性曲线。图中曲线1为式(4-25)中第1项由永磁磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的永磁转矩；曲线2为式(4-25)中第2项，即由电机d、q轴磁路不对称而产生的磁阻转矩；曲线3为曲线1和曲线2的合成。由于永磁同步电动机的直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大转矩值对应的转矩角大于90°。矩角特性上的最大转矩值被称为永磁同步电机的失步转矩。如果电机轴上负载转矩超过此值，则电机将失步，甚至停转。图4-43永磁同步电机的矩角特性曲线4.3.2永磁同步电机的工作原理从上面的分析可知，影响永磁同步电机不能自启动主要有下面两个因素：（1）转子本身存在惯性。（2）定、转子磁场之间转速相差过大。为了使永磁同步电机能自行启动，在转子上一般都装有启动绕组。当永磁同步电机启动时，依靠该启动绕组，就可使电机如同异步电机工作时一样产生启动转矩，使转子转动起来。等到转子转速上升到接近同步转速时，定子旋转磁场就与转子永久磁钢相互吸引把转子牵入同步，转子与旋转磁场一起以同步转速旋转。如果电机转子本身惯性不大，或者是多极的低速电机，定子旋转磁场转速不是很大，那么永磁同步电机不另装启动绕组还是可以自启动的。图4-43永磁同步电机的矩角特性曲线4.3.3交流伺服电机的控制技术

两相感应伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制、幅值-相位控制。

1.幅值控制

采用幅值控制时，励磁绕组电压始终为额定励磁电压UfN，通过调节控制绕组电压的大小来改变电动机的转速，而控制电压与励磁电压之间的相位角始终保持为90°。其原理电路和电压向量图分别如图4-45（a）、（b）所示。当控制电压

时，电机停转。(a)原理电路；(b)电压向量图4-45幅值控制4.3.3交流伺服电机的控制技术

两相感应伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制、幅值-相位控制。

2.相位控制采用相位控制时，控制绕组和励磁绕组的电压大小均保持额定值不变，通过调节控制电压的相位，即改变控制电压与励磁电压之间的相位角β，可实现对电动机的控制。相位控制时的原理电路和电压向量图如图4-46所示。当β=0时，两相绕组产生的气隙合成磁场为脉振磁场，电机停转。由于采用这种控制方式时需要的移相装置价格较高，因此很少应用。(a)原理电路；(b)电压向量图4-46相位控制4.3.3交流伺服电机的控制技术

两相感应伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制、幅值-相位控制。

3.幅值—相位控制（电容控制）这种控制方式是将励磁绕组串联电容

以后，接到交流电源

上，而控制绕组电压

的相位始终与

相同，通过调节控制电压的幅值来改变电机的转速，其原理电路如图4-47（a）所示。(a)原理电路；(b)电压向量图4-47幅值-相位控制4.3.3交流伺服电机的控制技术(a)原理电路；(b)电压向量图4-47幅值-相位控制采用幅值-相位控制时，励磁绕组电压

电压向量如图4-17(b)所示。当调节控制绕组电压的幅值改变电机的转速时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组电流会发生变化，使励磁绕组电压

及串联电容上的电压

也随之改变，因此控制绕组电压和励磁绕组电压的大小及它们之间的相位角都随之改变，故称幅值-相位控制，也称电容控制。这种控制方式不需要复杂的移相装置，利用串联电容就能在单相交流电源上获得控制电压和励磁电压的分相，所以设备简单、成本较低，是实际应用中最常见的一种控制方式。4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-48交流伺服驱动器硬件原理图工业机器人中的伺服系统一般为位置伺服系统，位置伺服系统通过上位控制器的插补运算获取控制信号，实现多轴机器人的位置控制，工业机器人常使用半闭环式伺服驱动。1）伺服驱动器硬件结构设计交流伺服系统主要由伺服控制模块、功率驱动模块、通信接口模块、反馈检测模块以及配套的电机组成。数字信号处理器（DSP）作为系统的控制核心，用于实现复杂的控制算法。系统采用以智能功率模块（IPM）为核心来设计驱动电路，内部集成了驱动电路以及相应的过压、欠压、过流、过热等故障检测保护电路。1.交流伺服驱动器硬件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-48交流伺服驱动器硬件原理图交流伺服驱动器可以划分为功能独立的两个模块：功率驱动模块、伺服控制模块。图4-48所示为交流伺服驱动器硬件结构原理图，其中内部虚线包围起来的部分是使用弱电的DSP控制模块。2）整流电路设计整流电路大致可分为单相整流和三相整流两种，本设计选用单相整流电路。该电路还具有浪涌抑制、电压检测和过流检测的功能。1.交流伺服驱动器硬件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-48交流伺服驱动器硬件原理图3）功率驱动模块实现功率驱动部分采用智能功率模块（IPM）PS11032。芯片的输入端由DSP的PWM信号输出经过光电隔离直接进行控制，输出点则直接连接三相电机。4）信号采集的实现利用相电流采集电路对W、V两相电流进行检测，U相电流则可由DSP计算得到。5）安全保护模块的实现为避免上电时的过流状况，设计了采用继电器的保护电路，这部分电路受DSP功率模块的控制1.交流伺服驱动器硬件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-53交流伺服控制系统程序流程1）伺服控制系统软件结构设计交流伺服驱动器的控制软件按功能划分为三个主要任务和一个非常规任务。三个主要任务是电机控制、人机交互、CAN总线通信，非常规任务则为报警处理等。图4-53所示为交流伺服控制程序流程。2.交流伺服驱动器软件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-54运动控制定时中断程序运动流程2）交流电机运动控制模块流程设计交流伺服驱动器在运行时以定时执行PWM中断的方法来实现电机的运动控制。运动控制定时中断程序运行流程如图4-54所示。2.交流伺服驱动器软件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-55人机交互模块菜单结构3）人机交互模块实现人机交互模块实现伺服控制器的测试，通过操作面板的控制实现电机试运行、运动参数调整、通信参数修改以及状态记录的查询功能，图4-55为人机交互模块的菜单结构。2.交流伺服驱动器软件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-55人机交互模块菜单结构4）通信模块实现工业机器人系统中，一台机器人控制器往往需要控制多个交流伺服驱动器。机器人控制器和伺服之间有太多以总线连接的方式通信，本设计中DSP通过CAN口和上位系统进行数据交互，流程如图4-56所示。2.交流伺服驱动器软件系统设计与实现4.3.4工业机器人交流伺服驱动系统设计图4-57插补控制中的速度、位置给定示意图机器人的路径控制经常使用CP（ContinuousMotion）运动，这种作业方式要求机器人必须沿着特定的路径运动，即要对路径中间点进行插值。当各离散点转化为关节空间的速度、位置信息后，这些信息就可以通过控制系统总线传输给伺服驱动设备，对独立轴进行控制。3.针对插补控制的位置环实现小结本节我们介绍了工业机器人交流伺服电机驱动与控制技术，下一节介绍工业机器人气压驱动与控制技术。谢谢收看！CONTENTS目录4.4工业机器人气压驱动与控制技术4.4.1机器人气压驱动技术图4-58气动平口钳工作原理气压驱动技术是指以压缩空气为动力源来驱动和控制各种机械设备以实现生产过程机械化和自动化的一种技术，气动动作迅速、反应快、调节方便，可利用气压信号实现自动控制，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外做功。如图4-58所示为气动平口钳的工作原理。1.气压驱动系统的工作原理4.4.1机器人气压驱动技术图4-58气动平口钳工作原理典型的气压驱动系统一般由以下部分组成：（1）气源装置：压缩空气的发生装置以及压缩空气的存储、净化等辅助装置。其主要设备是空气压缩机。（2）控制元件：用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并按设计的程序正常工作。如压力阀、流量阀、方向阀和逻辑阀等都属于控制元件。（3）执行元件：将空气的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸和气泵。（4）辅助元件：用于辅助保证气压驱动系统正常工作的一些装置，如过滤器、干燥器、空气过滤器、消声器和油雾器等。2.气压驱动系统的组成4.4.1机器人气压驱动技术图4-59皮带压花机的示意图图4-60皮带压花机气动控制系统回路图图4-59为皮带压花机的示意图，图4-60为皮带压花机气动控制系统回路图。要想利用冲压气缸传递冲击力在皮带上压花，气动系统必须具备气源、控制元件、执行元件、空气调节处理元件和辅助元件，如图4-61所示，这五部分构成了一个完整的皮带压花机气动控制系统。4.4.1机器人气压驱动技术图4-61皮带压花机气动系统的组成图4-59为皮带压花机的示意图，图4-60为皮带压花机气动控制系统回路图。要想利用冲压气缸传递冲击力在皮带上压花，气动系统必须具备气源、控制元件、执行元件、空气调节处理元件和辅助元件，如图4-61所示，这五部分构成了一个完整的皮带压花机气动控制系统。4.4.1机器人气压驱动技术3.气压驱动的优点（1）空气随处可取，节省了购买、储存、运输介质的费用和麻烦，用后的空气直接排入大气，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路，因而也不存在介质变质、补充和更换等问题；（2）因空气黏度小（约为液压油的万分之一），在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送，即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境；（3）与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞；（4）气动元件结构简单，制造容易，适于标准化、系列化、通用化；（5）气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统；（6）空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于储气罐储存能量，以备急需；（7）排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。4.4.1机器人气压驱动技术4.气压驱动的缺点（1）空气具有可压缩性，当载荷变化时，气动系统的动作稳定性差，但可以采用气液联动装置解决此问题；（2）工作压力较低（一般为0.4～0.8MPa），又因结构尺寸不宜过大，因而输出功率较小；（3）气信号传递的速度比光、电子速度慢，故不宜用于要求高传递速度的复杂回路中，但对一般机械设备，气动信号的传递速度是能够满足要求的；（4）排气噪声大，需加消声器。4.4.2基于PLC的气动机械手设计C1—转换气缸；C2—短程气缸；C3—止动气缸；C4—无杆气缸图4-62气动机械手结构图图4-62所示为气动机械手结构图，该气动机械手由4个气缸组成，分别是止动气缸、短程气缸、转换气缸、无杆气缸，可将原工作台的物品搬运到相邻的另一工作台上。机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制。机械手的升降、转动，左右移动以及操作台上托盘放行，分别是由短程气缸、摆动气缸、导向驱动装置、止动气缸配合各自的限位开关来完成的。其中机械手抓取工件是由机械手终端的气动电磁阀来完成的，而工件是由托盘托住在传送带上运行的。4.4.2基于PLC的气动机械手设计图4-63机械手气动原理图该机械手的控制要求动作顺序为：启动→工件到达指定位置→机械手下降→机械手终端气动电磁阀吸住工件→机械手上升→机械手摆动转换方向→机械手向右移动→机械手下降→放下工件→机械手上升→机械手向左移动→机械手摆动复位。根据机械手的动作要求和PLC所具有的控制特点，整个启动系统就是要对4个气缸进行顺序控制，这里采用了4个双电控先导式电磁阀，作为驱动气缸的主控阀。另外，为控制各个动作的速度，各气路安装了可调单向节流阀进行调整，机械手气动原理图如图4-63所示。本系统采用的是西门子PLC200（40点）控制，24点输入，16点输出，具体I/O分配如表4-2所示。4.4.2基于PLC的气动机械手设计表4-2PLC的I/O分配表该机械手的控制要求动作顺序为：启动→工件到达指定位置→机械手下降→机械手终端气动电磁阀吸住工件→机械手上升→机械手摆动转换方向→机械手向右移动→机械手下降→放下工件→机械手上升→机械手向左移动→机械手摆动复位。根据机械手的动作要求和PLC所具有的控制特点，整个启动系统就是要对4个气缸进行顺序控制，这里采用了4个双电控先导式电磁阀，作为驱动气缸的主控阀。另外，为控制各个动作的速度，各气路安装了可调单向节流阀进行调整，机械手气动原理图如图4-63所示。本系统采用的是西门子PLC200（40点）控制，24点输入，16点输出，具体I/O分配如表4-2所示。4.4.2基于PLC的气动机械手设计图4-64部分顺序功能图及其对应梯形图由于该机械手的动作是自动有序进行的，因此编程序宜采用顺序控制法。顺序控制法的核心就是顺序功能图，根据顺序功能图可轻而易举地编写出梯形图程序。顺序功能图主要由4个部分组成：步、有向连线、转换条件和动作内容说明。图4-64为部分顺序功能图（机械手抓取工件过程，返回过程略）及其对应程序梯形图。小结本节我们介绍了工业机器人气压驱动与控制技术，下一节介绍工业机器人液压驱动控制应用谢谢收看！CONTENTS目录4.5工业机器人液压驱动控制应用4.5.1液压驱动系统的工作原理1—油箱；2—放油阀；3—大缸体；4—大活塞；5、9—单向阀；6-—杠杆手柄；7—小活塞；8—小缸体图4-65液压千斤顶工作原理液压驱动是指以流体为工作介质，通过动力元件（液压泵），将原动机的机械能转变为液压油的压力能，再通过控制元件，然后借助执行元件（液压缸和液压马达）将压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动，且通过对控制元件的遥控操纵和对压力流量的调节，调定执行元件的力和速度。以液压千斤顶为例，液压千斤顶是起重吊装作业中的一种常用工具，它具有轻巧简便、维护方便、易操作、省时、省力、举升吨位大等特点。4.5.1液压驱动系统的工作原理1—油箱；2—放油阀；3—大缸体；4—大活塞；5、9—单向阀；6-—杠杆手柄；7—小活塞；8—小缸体图4-65液压千斤顶工作原理如图4-65所示，大缸体3和大活塞4组成了举升缸，杠杆手柄6、小缸体8、小活塞7、单向阀5和9组成手动液压泵。当抬起杠杆手柄6，使小活塞7向上移动，小活塞下腔密封容积增大形成局部真空时，单向阀9打开，油箱1中的油液在大气压力的作用下通过吸油管进入小活塞的下腔，完成一次吸油过程。当用力压下杠杆手柄6时，小活塞7下移，其下腔密封容积减小，油液受挤压使压力升高，单向阀9关闭，单向阀5打开，油液进入举升缸下腔，驱动大活塞4使重物G上升一段距离，完成一次排油过程。反复地抬、压手柄，使油液不断地压入举升缸，重物不断升高，从而达到起重的目的。如将放油阀2旋转90°，大活塞4可以在重力的作用下实现回程。4.5.1液压驱动系统的工作原理图4-66帕斯卡原理应用1.帕斯卡原理液压驱动是基于帕斯卡原理实现的，即在密闭容器中，将外力作用在液面上的压力能等值地传递到液体内部的所有点（不计液体自重）。如图4-66所示密闭容器内的液体，当外力F变化引起外加压力发生变化时，只要液体仍保持原来的静止状态不变，则液体内任一点的压力将发生同样的变化。这就是说，在密闭容器内，由外力作用所产生的压力将等值地传递到液体各点。这就是帕斯卡原理或称静压传递原理。4.5.1液压驱动系统的工作原理图4-67压力关系图2.压力的概念4.5.1液压驱动系统的工作原理图4-68重力作用下的静止液体3.静压传递原理4.5.1液压驱动系统的工作原理图4-69流体的连续性原理4.连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。单位时间内流过某通流断面的液体的量称为流量，常用q表示，单位为m3/s、L/min或mL/s。根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即v1A1＝v2A2。液体在管内恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，不考虑液体的压缩性，则q＝vA＝v1A1＝v2A2，如图4-6