典型工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器分析及設(shè)計(jì)研究

1、 2015屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目: 典型工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器分析及設(shè)計(jì)研究 院系名稱：電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 教授 2015 年 5 月 20 日目 錄1 緒論11.1 研究背景11.2 研究意義31.3 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展31.3.1 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的歷史及現(xiàn)狀31.3.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器未來(lái)發(fā)展的方向42 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析62.1 工業(yè)機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)62.2 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)類型62.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類62.2.2 各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)72.3 電動(dòng)機(jī)特性分析93 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)實(shí)例分析123.1 工業(yè)機(jī)器人IRB

2、 L6/2驅(qū)動(dòng)器分析123.2 工業(yè)機(jī)器人M2000驅(qū)動(dòng)器分析174 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)研究224.1系統(tǒng)硬件總體方案224.2主控芯片介紹224.3 dsPIC外圍電路設(shè)計(jì)244.3.1電流檢測(cè)電路244.3.2轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路254.3.3過(guò)壓保護(hù)電路及制動(dòng)電路264.3.4浪涌保護(hù)電路274.4開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)274.5智能功率模塊電路設(shè)計(jì)28結(jié) 論30致 謝32參 考 文 獻(xiàn)331 緒論1.1 研究背景 工業(yè)機(jī)器人是一種可以自行執(zhí)行任務(wù)的裝置，依靠自己本身的驅(qū)動(dòng)力和控制力來(lái)代替人完成各種工作的機(jī)器。它可以執(zhí)行人的命令，也可以根據(jù)初始編譯的程序執(zhí)行任務(wù)，隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)代的技術(shù)使機(jī)器

3、人可以自己行動(dòng),但是還是需要遵循所設(shè)定的人工智能技術(shù)的規(guī)則。     在工業(yè)生產(chǎn)中,有很多重復(fù)性高、耗費(fèi)體力、危險(xiǎn)性高的工作，如果由人類完成這樣的工作，那么會(huì)效率十分的低。在實(shí)際操作中,這樣的工作都是由機(jī)器人來(lái)完成的，比如在熱處理、焊接、塑料制品成形等工作環(huán)境較惡劣和壓力鑄造、裝配等簡(jiǎn)單重復(fù)性工作，以及搬運(yùn)核原料等高危險(xiǎn)性工作。各種各樣不同用途的工業(yè)機(jī)器人相繼發(fā)布，許多以前只存在于假設(shè)中的想法已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。工業(yè)機(jī)器人有兩個(gè)很適用于工業(yè)生產(chǎn)的性質(zhì),那就是通用性和適應(yīng)性，工業(yè)機(jī)器人可以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)，從七十年代開(kāi)始，工業(yè)機(jī)器人就和數(shù)字機(jī)床相結(jié)合，成

4、為柔性制造中重要的的組成部分。同時(shí)工業(yè)機(jī)器人具有精密的操作性,被廣泛的用于一些對(duì)精密性要求很高的行業(yè),比如精密儀器的加工、核工程以及醫(yī)療行業(yè)等等。工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線如圖1.1所示。圖1.1 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線談到工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展就不得不提到日本。日本工業(yè)機(jī)器人的普及領(lǐng)先世界上大部分國(guó)家,在上世紀(jì)九十年代就使用了許多工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，與此同時(shí)達(dá)到了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的巔峰,從國(guó)家層面上看,日本政府很重視機(jī)器人的發(fā)展,這個(gè)從我們小時(shí)候看的動(dòng)漫上就可以看的出來(lái),比如鐵臂阿童木,鐵膽火車(chē)俠,鐵甲小寶等。而如今也在第發(fā)展三類工業(yè)機(jī)器人的路上取得了很棒的成就。據(jù)研究表明,國(guó)外對(duì)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展重點(diǎn)

5、有以下三點(diǎn)：仿生機(jī)器人與新型機(jī)構(gòu),機(jī)器人的定位與地圖創(chuàng)建,機(jī)器人-環(huán)境交互。     在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)方面的研究上,我國(guó)也下了很大的功夫,我國(guó)依托各大學(xué)和研究所研究了許多學(xué)科,執(zhí)行機(jī)構(gòu)上包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人構(gòu)型等，機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)上包括機(jī)器人編程語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法等學(xué)科，傳感器方面包括機(jī)器人傳感器研究，多傳感器控制系統(tǒng)的研究等，工業(yè)機(jī)器人的重要技術(shù)我國(guó)基本上全部可以獨(dú)立自主的生產(chǎn)研發(fā)。在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)上，中國(guó)已經(jīng)研發(fā)出了多處理器和機(jī)器人分層控制系統(tǒng)，很多系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，而且中國(guó)在大型機(jī)方面的技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先,主控機(jī)也在不斷的更

6、新?lián)Q代。下圖為機(jī)器人焊接工作站。機(jī)器人焊接工作站如圖1.2所示。圖1.2 機(jī)器人焊接工作站中國(guó)制造業(yè)面臨著向高端轉(zhuǎn)變，承接國(guó)際先進(jìn)制造的巨大挑戰(zhàn)。中國(guó)想要抓住這個(gè)歷史機(jī)遇,必須加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。因此,我國(guó)需要繼續(xù)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人,不斷地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。首先,我國(guó)是一個(gè)制造大國(guó),我們的目標(biāo)是成為制造強(qiáng)國(guó)，無(wú)疑,大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有力手段。政府為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有更多的政策支持，我國(guó)不單單要學(xué)習(xí)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，而且要吸取國(guó)外發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)教訓(xùn),未雨綢繆；第二，在國(guó)家制定大型科研計(jì)劃中，應(yīng)該對(duì)工業(yè)機(jī)器人研究相關(guān)項(xiàng)目給予更多的支持，打破

7、工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備不相協(xié)調(diào)的局面；第三，在國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量已經(jīng)與國(guó)外相當(dāng)?shù)那疤嵯?，企業(yè)應(yīng)該優(yōu)先國(guó)內(nèi)采購(gòu),打破外國(guó)和尚好念經(jīng)的局面,盡量自給自足。1.2 研究意義工業(yè)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的方向是朝著智能仿生化方向發(fā)展，隨著材料工程與科學(xué)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等學(xué)科不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)不斷的積累，工業(yè)機(jī)器人適用的場(chǎng)合正在不斷的增加。伴隨互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)工程、工業(yè)4.0等概念不斷地深入人心，精密型具有分布式控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的適用行業(yè)正在不斷的增加，不知不覺(jué)不斷地在改變傳統(tǒng)制造業(yè)，使傳統(tǒng)制造業(yè)逐步由生產(chǎn)型行業(yè)向著服務(wù)型行業(yè)轉(zhuǎn)變 。     日益增長(zhǎng)的工業(yè)機(jī)

8、器人市場(chǎng)吸引著許多世界工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠家的目光。目前，我國(guó)進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人主要源自日本，但是隨著國(guó)內(nèi)具有工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的企業(yè)不斷增加，越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)器人將由中國(guó)制造。1.3 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展1.3.1 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的歷史及現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展與伺服電動(dòng)機(jī)的不同發(fā)展階段密切相關(guān)，從直流電機(jī)的發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史。最早發(fā)明的電動(dòng)機(jī)是直流電機(jī)，但是它的發(fā)展卻是十分的緩慢，這是由于在當(dāng)時(shí)相關(guān)電力電子元器件達(dá)不到實(shí)際的使用要求，但是到了二十世紀(jì)六十年代以后，隨著半導(dǎo)體以及材料工程的發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)得到迅速的發(fā)展，并在當(dāng)時(shí)成為了隨動(dòng)系統(tǒng)中十分重要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。其實(shí)在

9、直流電機(jī)發(fā)展起來(lái)之前呢，運(yùn)用最廣泛的是步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)時(shí)磁阻式步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床設(shè)備中運(yùn)用的最為廣泛，當(dāng)時(shí)的控制系統(tǒng)還是十分落后的，多為開(kāi)環(huán)控制。但是在現(xiàn)代，隨著科技的發(fā)展，使用最多控制方式是閉環(huán)控制，而且隨著方波、正弦波驅(qū)動(dòng)的各種新型永磁同步電動(dòng)機(jī)的研發(fā)成功，逐漸開(kāi)始替代直流伺服電動(dòng)機(jī)，占領(lǐng)整個(gè)市場(chǎng)。眾所周如，未來(lái)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力源的智能化，尤其是當(dāng)今處于網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，除了驅(qū)動(dòng)器的智能化外，還需網(wǎng)絡(luò)化。新的時(shí)代提供了開(kāi)闊的思路，也為驅(qū)動(dòng)器未來(lái)的發(fā)展指明了方向。根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)高性能的要求，現(xiàn)如今的大部分工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。伺服驅(qū)動(dòng)器如圖1.3所示。圖1.3工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)

10、動(dòng)器1.3.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器未來(lái)發(fā)展的方向現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸向數(shù)字時(shí)代轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)無(wú)孔不入，如信號(hào)處理技術(shù)中的數(shù)字濾波、數(shù)字控制器、各種先進(jìn)智能控制技術(shù)的應(yīng)用等，把功能更加強(qiáng)大的控制器芯片以及各種智能處理模塊應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)更好的控制性能。分析多年來(lái)交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展特色，總結(jié)市場(chǎng)上客戶對(duì)其性能的要求，可以概括出交流伺服控制系統(tǒng)有以下幾種熱門(mén)發(fā)展方向： （1）數(shù)字化 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，處理速度更迅速、功能更強(qiáng)大的微控制器不斷涌現(xiàn)，控制器芯片價(jià)格越來(lái)越低，硬件電路設(shè)計(jì)也更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)成本快速下降，且數(shù)字電路抗干擾能力強(qiáng)，參

11、數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)影響小，穩(wěn)定性好；采用微處理器的數(shù)字控制系統(tǒng)，更容易與上位機(jī)通訊，在不變更硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，可隨時(shí)改變控制器功能。在相同的硬件控制系統(tǒng)中，可以有多種形式的控制功能，不同的系統(tǒng)功能可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，且可以根據(jù)控制技術(shù)的發(fā)展把最新的控制算法通過(guò)軟件編程實(shí)時(shí)的更新控制系統(tǒng)。 （2）智能化 為了適應(yīng)更為惡劣的控制環(huán)境和復(fù)雜的控制任務(wù)，各種先進(jìn)的智能控制算法已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。其特點(diǎn)是根據(jù)環(huán)境、負(fù)載特性的變化自主的改變參數(shù)，減少操作人員的工作量。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)比較成熟的專用智能控制芯片，其控制動(dòng)靜態(tài)特性優(yōu)越，在交流伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣大技術(shù)人員所采用。

12、 （3）通用化 當(dāng)前，控制系統(tǒng)都有多種工作模式，而且不同工作模式的切換無(wú)需改變系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，應(yīng)用范圍寬廣，而且可以控制多種類型的各種型號(hào)的電機(jī)，適用于多種類型的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的通用化無(wú)疑是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的大勢(shì)所趨?，F(xiàn)如今，高性能的工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)仍然被歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，我國(guó)的交流伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng) 80%以上被歐美日等國(guó)的伺服產(chǎn)品所占據(jù)，特別是高端設(shè)備中基本上看不到國(guó)產(chǎn)伺服產(chǎn)品的身影。二十一世紀(jì)初期，我國(guó)加入WTO 以后，隨著我國(guó)開(kāi)始變?yōu)槭澜绻S，為我國(guó)交流伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間，國(guó)內(nèi)幾家實(shí)力雄厚的交流伺服產(chǎn)品生產(chǎn)單位開(kāi)始逐漸推出自己的產(chǎn)品，占領(lǐng)部分市場(chǎng)份額。2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)

13、系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。工業(yè)機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖2.2 工業(yè)機(jī)器人各部分關(guān)系圖 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋

14、給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。工業(yè)機(jī)器人各部分關(guān)系圖如圖2.2所示。2.2 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)類型2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可由這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各有自己的特點(diǎn)。一、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)。它具有動(dòng)力大、力或力矩與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適于在承載能力大，慣量大以及在防焊環(huán)境中工作的這些機(jī)器人中應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)需進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，電能轉(zhuǎn)換成液壓能)，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低。液壓系統(tǒng)的液體泄泥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生

15、污染，工作噪聲也較高。因這些弱點(diǎn)，近年來(lái)，在負(fù)荷為100kz以下的機(jī)器人中往往被電動(dòng)系統(tǒng)所取代。二、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖2.3 工業(yè)機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適于在中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。工業(yè)機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)如圖2.3所示。三、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于低慣量，大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器(交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器)的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量選用。這類系統(tǒng)不需能量轉(zhuǎn)換，使用方便，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接

16、用于要求防爆的環(huán)境中，成本也較上兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高。但因這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的選用。2.2.2 各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長(zhǎng)，不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于不同的場(chǎng)合，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的時(shí)候要按照需求來(lái)選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際的條件來(lái)選用一個(gè)最合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2.1表2.1 三種驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)對(duì)照內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)

17、靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一

18、定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無(wú)應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人等機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；

19、（2）反應(yīng)速度要快，即要求能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；（3）驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；（4）安全可靠；（5）操作和維護(hù)方便；（6）對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。唬?）經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。2.3 電動(dòng)機(jī)特性分析電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型包括：直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直接驅(qū)動(dòng)、特種驅(qū)動(dòng)器。伺服系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。數(shù)字式伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。伺服系統(tǒng)主要有以下幾種特

20、點(diǎn)：（1）控制量是機(jī)械位移或位移的時(shí)間函數(shù)；（2）給定值在很大的范圍內(nèi)變化；（3）屬于反饋控制；（4）能使輸出量快速準(zhǔn)確地隨給定量變化；（5）輸入功率小，輸出功率大；（6）能進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制； 圖2.4 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2.5數(shù)字式伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制伺服驅(qū)動(dòng)器。其作用原理是通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變加在電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中作為直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器而廣泛使用。在控制系統(tǒng)中，通常用電樞電壓作為控制信號(hào)，電壓的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，改變電壓極性，電動(dòng)

21、機(jī)的方向也隨之改變。根據(jù)電樞反應(yīng)原理，電機(jī)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式為公式中，而為電樞電壓，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為電樞電阻，為電勢(shì)常數(shù)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)為為電樞電流，為常數(shù)，為磁通量。同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無(wú)電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。 同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制三相逆變器和多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)： （1) 矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。 （2) 正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。 采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無(wú)刷直流伺服電動(dòng)

22、機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。一般情況下，交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能： （1）位置控制方式； （2) 速度控制方式； （3) 轉(zhuǎn)矩控制方式； （4) 位置、速度混合方式； （5) 位置、轉(zhuǎn)矩混合方式； （6) 速度、轉(zhuǎn)矩混合方式； （7) 轉(zhuǎn)矩限制； （8) 位置偏差過(guò)大報(bào)警； （9) 速度PID參數(shù)設(shè)置； （10) 速度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器在小型機(jī)器人中應(yīng)用廣泛，它是將脈沖信號(hào)變換為角位移或直線位移的裝置，優(yōu)點(diǎn)是在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，位移量與脈沖數(shù)成正比、速度與脈沖頻率成正比不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境

23、條件的波動(dòng)而變化。而且步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器還具有誤差不長(zhǎng)期積累，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是存在過(guò)載能力差、調(diào)速范圍小、低速運(yùn)動(dòng)有脈動(dòng)、穩(wěn)定性差等，所以一般只應(yīng)用于小型或簡(jiǎn)易型機(jī)器人中。3 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)實(shí)例分析3.1 工業(yè)機(jī)器人IRB L6/2驅(qū)動(dòng)器分析在正式設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器之前，需要對(duì)實(shí)例進(jìn)行分析，本節(jié)分析對(duì)象為瑞典ABB公司的IRB L6/2型號(hào)工業(yè)機(jī)器人，圖3.1、3.2、3.3分別是IRB L6/2型號(hào)工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和驅(qū)動(dòng)單元的電路圖，對(duì)圖進(jìn)行分析對(duì)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究有很大的幫助。 圖3.1 IRB L6/2驅(qū)動(dòng)單元

24、與軸驅(qū)動(dòng)器圖3.2 IRB L6/2驅(qū)動(dòng)單元與軸驅(qū)動(dòng)器我們都知道電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元和電動(dòng)機(jī)直接嚙合，也可以理解成電動(dòng)機(jī)控制器的功率接口。既然是功率接口，那么就得給電動(dòng)機(jī)提供合適大小的電流和電壓，這一部分的工作是由電源板和整流器共同完成的，其中電源板的作用就是提供給電動(dòng)機(jī)合適的電壓。圖3.3 IRB L6/2驅(qū)動(dòng)單元與軸驅(qū)動(dòng)器可以看到，最右邊是一個(gè)整流器，他是一個(gè)可以把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的裝置，可以用于供電裝置及偵測(cè)無(wú)線電信號(hào)等。還可以給蓄電池提供充電電壓。因此，也可以起到充電器的作用?？刂瓢逄峁┟}沖信號(hào)和控制信號(hào)，并按照預(yù)先設(shè)定好

25、的邏輯時(shí)序進(jìn)行分配，控制板按照控制器的要求嚴(yán)格沿著軌跡和速度在一定精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，速度是可控的，運(yùn)動(dòng)是平穩(wěn)的，力矩也是可以控制的來(lái)完成任務(wù)。BLOCK是和軸相連的馬達(dá)，用以控制制動(dòng)馬達(dá)。IRB L6/2驅(qū)動(dòng)單元實(shí)物圖如圖3.4所示。圖3.4 IRB L6/2驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖 圖3.5 軸1驅(qū)動(dòng)電路制動(dòng)器通常是按失效抱閘方式工作的，松開(kāi)制動(dòng)器就必須接通電源，否則，不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接通電源時(shí)，抱閘線圈通電，銜鐵吸合，克服彈簧的拉力使制動(dòng)器的閘瓦和閘輪分開(kāi)，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)失電，電磁抱閘線圈失電，銜鐵在彈簧拉力的作用下與鐵芯分開(kāi)，并使制動(dòng)器的閘瓦緊緊抱住閘輪，電動(dòng)機(jī)被制動(dòng)而停轉(zhuǎn)。同步

26、開(kāi)關(guān)接受控制器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，多軸協(xié)同操作，以保證工作正常的進(jìn)行。圖3.6 軸2驅(qū)動(dòng)電路圖3.5、3.6分別是IRB L6/2型號(hào)工業(yè)機(jī)器人三個(gè)軸上臂，下臂，旋轉(zhuǎn)部分驅(qū)動(dòng)單元的電路圖。圖3.7是驅(qū)動(dòng)單元實(shí)物圖。發(fā)動(dòng)機(jī)是直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人工作的裝置，測(cè)速器將實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)試出來(lái)，傳輸給控制器，控制器根據(jù)工程需要，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證工作的正常進(jìn)行。圖3.7 IRB L6/2驅(qū)動(dòng)單元實(shí)物圖3.2 工業(yè)機(jī)器人M2000驅(qū)動(dòng)器分析M2000是一種動(dòng)力強(qiáng)勁的緊湊型6軸機(jī)器人，其顯著特點(diǎn)是加速快、工作空間大和承載能力強(qiáng)。它是一種應(yīng)用十分廣泛的工業(yè)機(jī)器人,通過(guò)對(duì)M2000驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分

27、析,可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器有更深的了解。M2000的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖3.8所示。圖3.8 M2000的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖在控制信號(hào)的作用下，伺服驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)，整流器與分壓器的作用是為了給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供合適的電源。機(jī)器人具體的驅(qū)動(dòng)器工作原理如圖3.9所示。圖3.9 M2000驅(qū)動(dòng)器工作原理圖基本控制單元和控制器相連接,負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)性的控制,連接單元負(fù)責(zé)和機(jī)器人的各個(gè)部位連接,信息的交換和指令的接受,散熱單元負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度的控制,使驅(qū)動(dòng)器不會(huì)因?yàn)楦邷卦斐蓳p傷,電源線和電源相連接,通過(guò)整流器和分壓器來(lái)給驅(qū)動(dòng)電路提供合適的電流和合適的電壓。圖3.10 M2000驅(qū)動(dòng)器1 2軸和3 4軸

28、工作原理圖M2000驅(qū)動(dòng)器1 2軸和3 4軸工作原理圖如圖3.10所示，可以看到1 2軸的驅(qū)動(dòng)單元由同一塊集成電路控制，同樣的3 4軸的驅(qū)動(dòng)單元也是由同一塊集成電路控制，不難了解到1 2軸協(xié)同操作或者是3 4軸協(xié)同操作響應(yīng)速度一定會(huì)很快，同時(shí)，控制精度也會(huì)相應(yīng)的提高，而且這也是分布式控制的一種體現(xiàn)，如果系統(tǒng)某一部分故障，并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體癱瘓，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。圖3.11 M2000驅(qū)動(dòng)器2 3軸和1 6軸工作原理圖M2000驅(qū)動(dòng)器2 3軸和1 6軸工作原理圖如圖3.11 所示。圖中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元各自驅(qū)動(dòng)2 3軸和1 6軸，協(xié)同驅(qū)動(dòng)以保證系統(tǒng)快速準(zhǔn)確相應(yīng)，由匯流線將驅(qū)動(dòng)電路上的線束匯流，然

29、后連接到機(jī)器人的各個(gè)部分?？刂齐娎|是從電力系統(tǒng)的配電特點(diǎn)出發(fā)把電能直接傳輸?shù)礁鞣N用電設(shè)備器具的電源連接線路，控制電纜是用來(lái)傳輸控制信號(hào)用的。圖3.12 M2000驅(qū)動(dòng)器3 5 6軸和1 2 4軸工作原理圖M2000驅(qū)動(dòng)器3 5 6軸和1 2 4軸工作原理圖如圖3.12所示，集成電路用于控制三個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)，三軸協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，精度準(zhǔn)確度得到了保證。圖3.13 M2000驅(qū)動(dòng)器工作原理框圖M2000驅(qū)動(dòng)器工作原理框圖如圖3.13所示。完整實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的功能，單單靠伺服驅(qū)動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要整流器分壓器提供合適的電壓電流，信號(hào)傳輸裝置傳送的信號(hào)準(zhǔn)確可靠，控制部分控制靈活，精準(zhǔn)，在緊急情況下可以迅速的將機(jī)器

30、人制動(dòng)，減少事故造成的損失。而且機(jī)器人各個(gè)部分的連接要牢固，不能發(fā)生問(wèn)題。M2000驅(qū)動(dòng)器工作原理電路圖如圖3.14所示。圖3.14 M2000驅(qū)動(dòng)器工作原理電路圖4 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)研究在工業(yè)機(jī)器人中，交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無(wú)疑是性能很優(yōu)越的一種驅(qū)動(dòng)器，它以硬件電路為載體，設(shè)計(jì)出的具有良好性能的硬件電路在一定程度上可以使得軟件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、高效，有效的降低了工業(yè)機(jī)器人的成本。本章首先根據(jù)在前面對(duì)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器原理分析，設(shè)計(jì)出可供實(shí)現(xiàn)SVPWM算法的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件電路原理圖，然后分模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)器硬件電路的每個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。4.1系統(tǒng)硬件總體方案目前實(shí)現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器

31、硬件基礎(chǔ)以DSP+FPGA為主，還有單片機(jī)、FPGA單獨(dú)為硬件基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，隨著FPGA性能的提高，為在FPGA實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法提供了良好的基礎(chǔ)。其中應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的都是低端控制速度、精度比較低的場(chǎng)合。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。圖4.1 交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件原理框圖系統(tǒng)主要組成部分有：主回路由整流電路、隔離電路、逆變電路構(gòu)成;控制電路以dsPIC為核心器件，輸出控制IGBT工作的PWM波，以永磁電機(jī)反饋的編碼器位置信息、霍爾傳感器反饋的初始位置信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的位置和速度控制，以直流母線電流采樣值為電流環(huán)的反饋值實(shí)現(xiàn)電流控制;保護(hù)電路，硬件構(gòu)成的過(guò)欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路。

32、4.2主控芯片介紹本工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器采用dsPIC系列芯片作為主控制器，dsPIC30F系列微控制器是微芯公司為交流感應(yīng)電機(jī)、有刷直流電機(jī)、交流永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制芯片。該系列電機(jī)控制芯片采用16位架構(gòu)具有DSP的計(jì)算能力、單片機(jī)的控制能力，這種微控制器特別適合于重復(fù)計(jì)算的相關(guān)領(lǐng)域，如噴涂工業(yè)機(jī)器人，搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人等，如圖4.2為dsPIC30F系列微控制器的最小系統(tǒng)電路圖。圖4.2 主控芯片最小系統(tǒng)電路本驅(qū)動(dòng)器采用dsPIC30F4011作為主控芯片，高性能微控制器采用改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu)，具有靈活尋址模式的C語(yǔ)言編譯優(yōu)化指令架構(gòu)，24位寬指令，16位寬數(shù)據(jù)總線，最高3

33、0MIPS的工作速度，30個(gè)中斷源，具有16x16位工作寄存器陣列。在數(shù)字信號(hào)處理方面具有雙數(shù)據(jù)讀取操作，DSP操作的累加器回寫(xiě)，模式尋址和位反轉(zhuǎn)尋址模式，兩個(gè)40位寬的累加器具備可選飽和邏輯，17x17位單周期硬件乘法器。本系列芯片為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的外設(shè)模塊，特別適合作為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的核心器件。具有如下特性:(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM模塊特性:3個(gè)占空比發(fā)生器;專用時(shí)基;可編程輸出極性;用于互補(bǔ)模式的死區(qū)控制;手動(dòng)輸出控制;用于A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)器。(2)正交編碼器接口特性:A、B、Z相脈沖輸出;16位遞增/遞減位置計(jì)數(shù)器;輸入端具有可編程噪聲濾波器;計(jì)數(shù)方向狀態(tài);位置計(jì)數(shù)器溢出中斷;位置測(cè)量模式。

34、(3)模擬特性:帶有4個(gè)S/H(采樣保持)10位寬輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器;可編程欠壓復(fù)位功能。除此之外，本微控制器還有其他通用接口，例如URAT、SPI、通用輸入輸出接口、中斷輸入、定時(shí)器、輸入捕捉等硬件模塊。4.3 dsPIC外圍電路設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件構(gòu)成主要包括逆變器、主控制器和外圍電路，外圍電路主要包括通用信號(hào)輸入輸出電路、信號(hào)保護(hù)電路、電流及電壓檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)化電路等外圍電路。下面分別介紹驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)主要的外圍接口電路。4.3.1電流檢測(cè)電路圖4.3 電流采樣電路在工業(yè)機(jī)器人交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，需要精確測(cè)量電機(jī)定子繞組中的實(shí)際電流、電壓等參量，以實(shí)際電流值作

35、為反饋值和前向通路構(gòu)成電流閉環(huán)控制回路，目前電流檢測(cè)的方法主要有三種:串聯(lián)電阻電流取樣法、電流互感器法和霍爾傳感器法。由于電阻的阻值容易受到溫度的影響，導(dǎo)致采集到的電流信號(hào)精度不夠高。電流互感器對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)和低頻電流信號(hào)的識(shí)別精度不高，通過(guò)霍爾傳感器來(lái)測(cè)量增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。因此采用串聯(lián)電阻取樣法來(lái)測(cè)量電機(jī)的相電流值，如圖4.3所示。在圖4.3中，IN+和IN-端接的是采樣電阻的兩端，本采樣電阻阻值為10毫歐姆，精度為1%的電阻，應(yīng)該注意這個(gè)電阻的功率值，雖然電阻值比較小。但是過(guò)電流比較大，功率也會(huì)比較大。根據(jù)公式Vout=1/2*V，ef+R7/R25*(V+-V-)以及輸入的采樣信號(hào)的

36、值的范圍，就可以確定對(duì)應(yīng)的電阻值。4.3.2轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路在電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，位置和速度是兩個(gè)關(guān)鍵的量，通過(guò)對(duì)位置和速度的校正，來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。根據(jù)電壓空間矢量控制原理可以知道，在算法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中需要知道轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置角度和實(shí)時(shí)速度值。常用的測(cè)量位置和速度的傳感器有絕對(duì)式編碼器、增量式編碼器、電磁式旋轉(zhuǎn)變壓器、磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器?；魻杺鞲衅餍盘?hào)波形圖如圖4.4所示。圖4.4 霍爾傳感器信號(hào)波形圖由于光電編碼器具有質(zhì)量小、快速響應(yīng)能力、高分辨率、低功耗和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等性能，在實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛，但是光電編碼器屬于精密機(jī)械件，在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中容易受到振動(dòng)而使得精度降低，光電

37、編碼器可以經(jīng)過(guò)密封處理后安裝于電機(jī)轉(zhuǎn)軸的尾端。本交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用增量式光電編碼器進(jìn)行位置值和速度值的測(cè)量，編碼器信號(hào)波形圖如圖4.5所示。圖4.5 編碼器信號(hào)波形圖4.3.3過(guò)壓保護(hù)電路及制動(dòng)電路永磁同步電機(jī)要正常運(yùn)轉(zhuǎn),首先要必須滿足其工作條件,如電壓、電流、溫度等參數(shù)。當(dāng)電壓過(guò)高會(huì)使得電機(jī)定子繞組中的電流升高,隨著電流升高繞組的溫度就會(huì)升高,長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的高溫有可能造成電機(jī)燒毀等故障。過(guò)壓保護(hù)電路圖如圖4.6所示。圖4.6 過(guò)壓保護(hù)電路圖當(dāng)電機(jī)速度變化過(guò)快時(shí),電機(jī)會(huì)產(chǎn)生比較大地反電動(dòng)勢(shì),此時(shí)電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī),而整流電路中流過(guò)二極管的電流不可逆,所以反電動(dòng)勢(shì)會(huì)加載直流母線上。以上兩

38、個(gè)原因會(huì)燒毀功率器件和電機(jī),因此給直流母線側(cè)加泄能電路,同時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線側(cè)的電壓值。制動(dòng)電路如圖4.7所示。圖4.7制動(dòng)電路圖4.3.4浪涌保護(hù)電路本永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源為220V、50赫茲交流電，在輸入到IPM之前要先對(duì)電源進(jìn)行整流和濾波處理，在實(shí)現(xiàn)SVPWM算法產(chǎn)生的PWM波控制IPM中的IGBT動(dòng)作來(lái)產(chǎn)生調(diào)制波形，達(dá)到逆變電源的作用，來(lái)輸出給永磁電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)上電之前，大電容中的電能已經(jīng)釋放完成，此時(shí)電容兩端電壓為0V，在打開(kāi)電源的瞬間，電容始充電，電容充電的過(guò)程可看作是短路的，電源所有的電能瞬間全部加到電容兩端，電路中會(huì)形成比較大的電流，這種方式的電流稱作浪涌電流。

39、電力電子設(shè)備中產(chǎn)生的浪涌會(huì)污染電網(wǎng)以及損壞器件，必須想辦法避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)軟啟動(dòng)方式來(lái)避免浪涌現(xiàn)象的出現(xiàn)，浪涌保護(hù)電路如圖4.8所示。圖4.8 浪涌保護(hù)電路4.4開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源輸出功率的大小，決定開(kāi)關(guān)電源選擇什么樣的工作方式或電路，從性價(jià)比方面來(lái)考慮，一般使用輸出功率低于5瓦的開(kāi)關(guān)電源。本系統(tǒng)中主控制器的供電電壓是5V，智能功率模塊的供電電壓是15伏，需要利用AC-DC電路將市電變成需要的電壓值，工業(yè)機(jī)器人交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用的開(kāi)關(guān)電源原理圖如圖4.9所示。圖4.9 開(kāi)關(guān)電源電路4.5智能功率模塊電路設(shè)計(jì)根據(jù)電壓空間矢量變換理論可知，逆變部分主要是將整流后的直流電

40、壓通過(guò)一定的手段變換成脈沖寬度按照正弦的規(guī)律變化的波形，逆變器內(nèi)部有6個(gè)IGBT根據(jù)控制器發(fā)出的PWM波指令，三對(duì)IGBT橋臂按照一定的時(shí)間和次序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)輸出所需的電壓矢量波形，來(lái)控制磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行。傳統(tǒng)的逆變電路主要6個(gè)開(kāi)關(guān)管(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管或MOS管)組合構(gòu)成三相逆變電路的橋臂，這種方式需要給開(kāi)關(guān)管加驅(qū)動(dòng)電路和電源自舉電路。由于開(kāi)關(guān)管頻繁地開(kāi)關(guān)，所以對(duì)整個(gè)逆變電路的布局布線和抗干擾能力要求比較高。隨著電力電子技術(shù)水平的提高，以及模塊化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，促使一大批的新型集成有IGBT和外圍電路的智能功率模塊被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)，替代分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的設(shè)計(jì)。工

41、業(yè)機(jī)器人交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器智能功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由高速低功耗的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路共同構(gòu)成IPM功率模塊，IPM(智能功率模塊)和分立器件構(gòu)成的逆變電路相比具有以下特點(diǎn):(1)內(nèi)置集成高電壓驅(qū)動(dòng)電路，可以不用經(jīng)過(guò)光電耦合器等驅(qū)動(dòng)器件來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，同時(shí)由于集成驅(qū)動(dòng)電路于一體，在加入少量輔助器件的情況下可實(shí)現(xiàn)單電源供電，上橋臂的電源完全靠自舉方式實(shí)現(xiàn);(2)功耗低，IPM工作時(shí)的功率損耗主要是IGBT的關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的損耗，由于本方案采用的IPM內(nèi)部IGBT選用高速低功耗的集成電路，驅(qū)動(dòng)電路布線線路短，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)速度快，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)壓降低，以上內(nèi)部電路的特點(diǎn)最終決定了IPM具有

42、功耗低的特點(diǎn);(3)符合安全規(guī)則，逆變橋的功率器件在過(guò)流、過(guò)欠壓時(shí)容易受到損壞，IPM內(nèi)部具有過(guò)流、短路、欠壓保護(hù)電路，保護(hù)電路為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了保證;(4)抗干擾能力強(qiáng)，IPM內(nèi)部的集成開(kāi)關(guān)管和門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路具有連接線短的特點(diǎn)，對(duì)外部干擾的隔離效果較好，逆變電路的大功率信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)干擾較小;(5)集成度高，硬件電路的布局布線會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能以及抗干擾能力，采用IPM功率模塊具有集成度高，體積小，外圍電路少，外圍配上簡(jiǎn)單的一些配置電路即可實(shí)現(xiàn)逆變功能，使得開(kāi)發(fā)過(guò)程更加容易。圖4.10 FNB41560模塊電路為簡(jiǎn)化系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，工業(yè)機(jī)器人交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

43、釆用智能功率模塊FNB24560，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.10所示。該模塊最高工作電壓為600V，最大工作電流為15A，開(kāi)關(guān)管最高工作頻率為20kHZ。結(jié) 論本次設(shè)計(jì)所做的主要工作有：1文獻(xiàn)資料的搜集工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)起步較晚,技術(shù)積累方面較為薄弱,導(dǎo)致知網(wǎng)上關(guān)于工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器部分的文獻(xiàn)較少,給畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作帶來(lái)了很大的困難,但是有問(wèn)題就要解決問(wèn)題,中文文獻(xiàn)沒(méi)有就查找英文文獻(xiàn),相關(guān)資料不好收集可以向?qū)煫@取幫助,最終還是完成了資料搜集的相關(guān)工作。2設(shè)計(jì)方案的確定經(jīng)綜合考慮，確定工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案為單軸工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，由旋轉(zhuǎn)變壓器,微處理器,存儲(chǔ)系統(tǒng),高電壓大電流驅(qū)動(dòng)器組成。綜上，通過(guò)近三個(gè)

44、月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)等各個(gè)環(huán)節(jié)，我對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)有了一個(gè)深層次的理解，同時(shí)對(duì)工程的理解更加深刻和準(zhǔn)確。使我真正感受很深的是工業(yè)機(jī)器人在各行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，也使我深深體會(huì)到：要真正完成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，不但要掌握儀器設(shè)計(jì)、互換性、誤差理論等多學(xué)科的知識(shí)，而且還要有繼而不舍的鉆研精神，要善于學(xué)習(xí)新的知識(shí)，只有將這兩方面的知識(shí)融會(huì)貫通和有機(jī)結(jié)合，才能設(shè)計(jì)出合格的驅(qū)動(dòng)器來(lái)。設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，由于缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加之對(duì)各方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不甚了解，我的設(shè)計(jì)曾一度停滯不前。但是，通過(guò)自己不斷的分析，大量查找閱讀相關(guān)資料，和同學(xué)們積極討論，并經(jīng)常尋求老師的指導(dǎo)，終于使自己的設(shè)計(jì)思路愈發(fā)清晰、明朗，最終完成了所有任務(wù)。這一切，使我真正體會(huì)到：端正的設(shè)計(jì)態(tài)度和良好的合作意識(shí)是所有設(shè)計(jì)人員所必須具備的素質(zhì)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的不斷摸索和設(shè)計(jì)，令我對(duì)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)有了更加深刻的了解，也大大提高了我的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)了濃厚的科研興趣，使我在學(xué)習(xí)的過(guò)程中深受其益。誠(chéng)然，我的設(shè)計(jì)中可能還存在種種問(wèn)題，但我相信，我已經(jīng)傾盡了自己的最大努力，而這次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就像是里程碑一樣，必將見(jiàn)證我今后的不斷成長(zhǎng)和進(jìn)步！在設(shè)計(jì)時(shí)，為了弄清一個(gè)陌生的知識(shí)點(diǎn)，上網(wǎng)搜索、查詢手冊(cè)、求助老師，