《機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》 課件 趙鵬舉 第5-10章 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)- 能力風(fēng)暴應(yīng)用

第5章機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與電機(jī)教學(xué)目標(biāo)《機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》1.了解機(jī)器人常用的機(jī)械零件和機(jī)械結(jié)構(gòu)；2.掌握直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用方法。目錄頁(yè)P(yáng)AGEOFCONTENT5.1機(jī)器人骨骼-機(jī)械結(jié)構(gòu)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)：依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置什么是電機(jī)？泛指所有實(shí)施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機(jī)械或裝置5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)的分類電機(jī)靜止的電氣設(shè)備——變壓器旋轉(zhuǎn)電機(jī)交流電機(jī)直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)異步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)異步發(fā)電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)使用中的變壓器水輪發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)組5.2機(jī)器人電機(jī)電能的生產(chǎn)、傳輸和分配5.2機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)裝置和機(jī)械5.2機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件返回5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)的作用

電機(jī)電能的生產(chǎn)、傳輸和分配控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械和裝置發(fā)電機(jī)、變壓器電動(dòng)機(jī)控制電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律變壓器電動(dòng)勢(shì)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)定律也叫法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

例如，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（電壓）稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

。電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律中電動(dòng)勢(shì)的方向可以通過(guò)楞次定律或右手定則來(lái)確定。右手定則內(nèi)容：伸平右手使姆指與四指垂直，手心向著磁場(chǎng)的N極，姆指的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向一致，四指所指的方向即為導(dǎo)體中感應(yīng)電流的方向（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與感應(yīng)電流的方向相同）。楞次定律指出：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙原磁通的變化。簡(jiǎn)而言之，就是磁通量變大，產(chǎn)生的電流有讓其變小的趨勢(shì)；而磁通量變小，產(chǎn)生的電流有讓其變大的趨勢(shì)。電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)1.電磁感應(yīng)定律電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)磁場(chǎng)對(duì)電流的作用是磁場(chǎng)的基本特征之一。實(shí)驗(yàn)表明：將長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體置于磁場(chǎng)B中，通入電流i后，導(dǎo)體會(huì)受到力的作用，稱為電磁力，也稱為安倍力。思考與討論

在電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度的方向就是正電荷所受電場(chǎng)力的方向。那么，在磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向是不是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向呢？2.電磁力定律電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)

實(shí)驗(yàn)表明：通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)。電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)F、B、I方向關(guān)系BIF示意圖安培力方向既與電流方向垂直又與磁場(chǎng)方向垂直，即垂直于電流和磁場(chǎng)所在的平面遵循左手定則BIF示意圖電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)左手定則：伸開左手,使拇指與其余四個(gè)手指垂直,并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感應(yīng)線從掌心進(jìn)入,并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向再次提醒：一定要使用左手！電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)2.電磁力定律Bfi電機(jī)中的基本電磁定律5.2機(jī)器人電機(jī)電機(jī)中的基本電磁定律2.電磁力定律5.2機(jī)器人電機(jī)電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人必不可少的器件之一。正是電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用使得機(jī)器人能夠完成與人類相似的動(dòng)作。目前機(jī)器人一般都主要使用直流電機(jī)(有刷和無(wú)刷)、步進(jìn)電機(jī)及直流伺服電機(jī)(舵機(jī))。這三種電機(jī)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，性能出眾，采用直流電源也容易實(shí)現(xiàn)。另外某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合的機(jī)器人還使用了超聲波電動(dòng)機(jī)、真空電動(dòng)機(jī)等新型電動(dòng)機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，易于快速起動(dòng)、停車。（3）易于控制。（4）性價(jià)比高。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)缺點(diǎn)：與異步電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便，而且要使用直流電源。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)應(yīng)用：（1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、無(wú)軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。（3）家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)玩具。（4）機(jī)器人：行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)1.直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承直流電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)移動(dòng)機(jī)器人所使用的直流電機(jī)主要是有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)1）有刷直流電機(jī)下圖表示的是一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極有刷直流電機(jī)模型，它由固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分組成。固定部分：磁鐵、電刷轉(zhuǎn)動(dòng)部分：環(huán)形鐵芯、繞組、換向片5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)有刷直流電機(jī)的物理模型圖它的固定部分（定子）上，裝了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一間隙。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)有刷直流電機(jī)的物理模型圖在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷A和B，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)給直流電機(jī)的兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖（a），直流電流從電刷A流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖2-21(b)所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流人，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。請(qǐng)判斷此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向？5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過(guò)的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實(shí)際使用中的有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，而是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)2）無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向控制電路三部分組成。電機(jī)的主轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，主定子相當(dāng)于普通直流電機(jī)的電樞，在定子鐵芯槽中嵌有定子繞組。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)

2）無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理當(dāng)定子繞組通過(guò)直流電時(shí)，與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。與有刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理相似，為了使電機(jī)能夠持續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，必須要讓轉(zhuǎn)子獲得單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩，這就要求定子電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化能適時(shí)地?fù)Q向。定子電流的方向變化是通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向控制電路實(shí)現(xiàn)的。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)屬于直流永磁電機(jī)，與普通有刷、無(wú)刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于采用無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子直接采用導(dǎo)線繞制成，沒(méi)有任何其他的結(jié)構(gòu)支撐這些繞線，繞線本身做成杯狀，因此也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)1、由于沒(méi)有鐵芯，極大地降低了鐵損（電渦流效應(yīng)造成的鐵心內(nèi)感應(yīng)電流和發(fā)熱產(chǎn)生的損耗）。最大的能量轉(zhuǎn)換效率（衡量其節(jié)能特性的指標(biāo)）：其效率一般在70％以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90％以上（普通鐵芯電機(jī)在15-50%)；2、激活、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快：機(jī)械時(shí)間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達(dá)到10毫秒以內(nèi)，在推薦運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏；3、可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性：自適應(yīng)能力強(qiáng)，自身轉(zhuǎn)速波動(dòng)能控制在2％以內(nèi)；

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)4、電磁干擾少：采用高品質(zhì)的電刷、換向器結(jié)構(gòu)，換向火花小，可以免去附加的抗干擾裝置；5、能量密度大：與同等功率的鐵芯電機(jī)相比，其重量、體積減輕1/3-1/2；轉(zhuǎn)速一電壓、轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩一電流等對(duì)應(yīng)參數(shù)都呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)空心杯技術(shù)是一種轉(zhuǎn)子的工藝和繞線技術(shù)，因此可以用于直流有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)。下圖是一個(gè)典型的有刷空心杯電機(jī)的剖面示意圖（瑞士MAXONMotorA.G．的典型空心杯電機(jī)），以及空心杯傳子繞組的實(shí)物照片。

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)3）空心杯直流電機(jī)

1端面法蘭2永磁體定子3外殼（磁回路）4轉(zhuǎn)子軸5轉(zhuǎn)子繞組6-7換向器8石墨電刷9稀有金屬電刷10外殼11電路連接端子

12滾珠軸承

13軸承5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)4）直流電機(jī)的選用直流電機(jī)的選用取決于其轉(zhuǎn)速與功率，轉(zhuǎn)速根據(jù)需要直接選取。轉(zhuǎn)矩定義為在距離軸心一定半徑距離上電機(jī)所輸出的切向力?？梢园阉胂蟪呻姍C(jī)帶著一個(gè)特定直徑的滑輪旋轉(zhuǎn)，吊起懸掛在滑輪邊緣上的一個(gè)重物。如果能夠通過(guò)直徑為lm的滑輪吊起lkg的重物，那它就輸出了1Nm的轉(zhuǎn)矩。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)電機(jī)的功率公式如下（以W為單位）：P＝Tω

式中，T——轉(zhuǎn)矩，單位是Nm。

ω——角速度，單位是rad/s。在電機(jī)工作范圍內(nèi)的任何狀態(tài)，都可以用這個(gè)公式來(lái)求得電機(jī)的功率。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)電機(jī)功率公式的第二種形式：

P＝Tnπ/30式中，T——轉(zhuǎn)矩，單位是Nm。n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是r/min。

P——電機(jī)功率，單位是W。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)電機(jī)的特性曲線電機(jī)的特性曲線如右圖。當(dāng)電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩最??；而電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為零。隨著轉(zhuǎn)速增大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小?？梢宰⒁獾皆诘竭_(dá)功率一轉(zhuǎn)速曲線上的某個(gè)點(diǎn)后電機(jī)功率上升的趨勢(shì)停止并呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值即為最大功率Pmax。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)直流電機(jī)的最大功率對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)矩為1/2最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為1/2最大轉(zhuǎn)速（即空載速度）的情況，其公式如下：Pmax＝1/4Tmaxωmax

5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制都是采用晶體管放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。線性放大器的優(yōu)點(diǎn)：在運(yùn)行范圍內(nèi)有比較好的線性控制特性，沒(méi)有明顯的控制滯后現(xiàn)象，控制速度范圍寬，對(duì)附近的電路于擾小。線性放大器的缺點(diǎn)：線性放大器工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，其最高效率不超過(guò)50%，必須采用大的功率器件，加大散熱面積。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)式放大器中，輸出級(jí)的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，即飽和導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)。截止?fàn)顟B(tài)的器件不消耗能量，而飽和導(dǎo)通的功率器件上的壓降又很小，這樣功率輸出級(jí)的損耗就很小，整體的效率就高。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．驅(qū)動(dòng)電路幾種基本的功率放大電路：(1)全部采用NPN晶體管構(gòu)成的H橋電路(2)采用NPN和PNP型晶體管射極跟隨器構(gòu)成的H橋電路(3)采用PNP和NPN型晶體管集電極跟隨器構(gòu)成的H橋電路5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.1直流電機(jī)5）直流電機(jī)的基本控制系統(tǒng)2．脈寬調(diào)制變換電路脈寬調(diào)制變換電路，即PWM變換電路，是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。它有不可逆和可逆兩類。機(jī)器人大賽中使用的都是可逆PWM變換電路。可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在機(jī)器人大賽中的控制變得非常簡(jiǎn)單。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(1)結(jié)構(gòu)

組成：定子、轉(zhuǎn)子

都由硅鋼片等導(dǎo)磁材料制成。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(1)結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開0、1/3τ及2/3τ(相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距，以τ表示)，即A與1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3τ，A′與齒5相對(duì)齊（A就是A′，齒5就是齒1），定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖所示。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)A相通電，B、C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊（此時(shí)轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)B相通電，A、C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3τ，齒3與C偏移為1/3τ，齒4與A偏移2/3τ（τ-1/3τ）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)C相通電，A、B相不通電時(shí)，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3τ，齒4與A偏移為1/3τ。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理當(dāng)A相通電，B,、C相不通電時(shí)，齒4與A對(duì)齊轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3τ。這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A的分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1的前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理(2)工作原理如果不斷地按A、B、C、A...…通電，電機(jī)就每步（或每脈沖）1/3τ。如按A、C、B、A...…通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見，電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向則由導(dǎo)電順序決定。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面的考慮，往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),這樣將原來(lái)每步1/3τ改變?yōu)?/6τ甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3τ變?yōu)?/12τ，1/24τ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)1．反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m，…(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制—這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件，理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)。出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)2．感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)2．感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相八拍運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式，其條件為。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)：(1)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N,S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。(2)拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.(3）步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移。以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例，四拍運(yùn)行時(shí)步距角為360°/(50X4)=1.8°（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為360°/(50X8)=0.9°（俗稱半步）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)：(4)定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成）。(5)最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax(Nm)：定子繞組通入電脈沖，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，由外力使轉(zhuǎn)子離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)矩稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。它反映了步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力和動(dòng)作的快速性。步進(jìn)電機(jī)可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)比最大靜轉(zhuǎn)矩小得多，一般為（0.3～0.5)Tmax。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：(1）步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差／步距角X100％。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5％之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15％以內(nèi)。(2)失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。(3)失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：(4)最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。(5)最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。(6)運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：(7)電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180~250pps（每秒脈沖數(shù)）之間（步距角l.8°）或在400pps左右（步距角為0.9°)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)越向上偏移；反之亦然。為使電機(jī)輸出力矩大、不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)應(yīng)偏移共振區(qū)較多。(8)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CD-BC-AB時(shí)為反轉(zhuǎn)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)選擇的型號(hào)便確定下來(lái)了。選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循如圖所示的步驟5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(1)步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36°/0.72°（五相電機(jī)）,0.9°/1.8°（二、四相電機(jī)）,1.5°/3°（三相電機(jī)）等。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(2)靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，往往是先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速），兩種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行時(shí)只要考慮摩擦負(fù)載即可。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍為好。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(3）電流的選擇靜力矩相同的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源及驅(qū)動(dòng)電壓）。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用(4)力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：P＝ω?MP＝2πnM/60其中，P為功率，單位為W,ω為角速度，單位rad/s，n為轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)／min，M為力矩，單位為Nm。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)選用中的注意點(diǎn)：(1)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合，一般轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)／min(0.9°時(shí)6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9°）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。(2)步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。(3)由于歷史原因，除標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)然12V的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源，不過(guò)要考慮溫升。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)選用中的注意點(diǎn)：(4)電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，這樣做既可使電機(jī)不失步，又可以在減少噪音的同時(shí)提高停止的定位精度。(5)高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（3）步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)選用中的注意點(diǎn)：(6)電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼來(lái)解決。(7)電機(jī)在600pps(0.9°）以下工作時(shí)，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。(8)應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須用環(huán)形脈沖、功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖所示。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)1．脈沖信號(hào)的產(chǎn)生脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3~0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)2．信號(hào)分配以二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例，二相電機(jī)工作方式一般有二相四拍和二相八拍兩種，具體分配如下：二相四拍為AB-AB-AB-AB，步距角為1.8°；二相八拍為AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB，步距角為0.9°。四相電機(jī)工作方式也有兩種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB，步距角為1.8°；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB，步距角為0.9°。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（4）步進(jìn)電機(jī)的基本控制系統(tǒng)3．功率放大功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大，就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的驅(qū)動(dòng)方式。到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸人脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸人脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)電路①控制換相順序通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C相的通斷。②控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式按正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)電路③控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)電路基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：該單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由51單片機(jī)（以AT89C51為例）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源（脈沖分配器和功率驅(qū)動(dòng)）、步進(jìn)電機(jī)等部分組成，其控制框圖如圖所示?？刂葡到y(tǒng)框圖5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.2步進(jìn)電機(jī)（5）步進(jìn)電機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)電路基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：由單片機(jī)給出脈沖信號(hào)，經(jīng)脈沖分配器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作方式所需的各相脈沖信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)脈沖分配回路輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)所需的激勵(lì)電流。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)伺服電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱舵機(jī)）是自動(dòng)裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點(diǎn)是可控。在有控制信號(hào)時(shí)，舵機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號(hào)電壓后，舵機(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

1.伺服電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。類型：1）交流伺服電動(dòng)機(jī)正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。2）直流伺服電動(dòng)機(jī)

梯形波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大；但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)交流電機(jī)編碼器交流電機(jī)電源線編碼器信號(hào)輸出線外觀結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、編碼器、電源線和編碼器信號(hào)線。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)交流電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)外殼電纜插頭編碼器交流電機(jī)定子內(nèi)部由定子、轉(zhuǎn)子和編碼器等組成。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)伺服電機(jī)的定子由鐵心和線圈組成。電氣原理圖控制繞組勵(lì)磁繞組5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子有籠型和杯型兩種?；\型轉(zhuǎn)子：鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)形成一體，或鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。杯型轉(zhuǎn)子：呈薄壁圓筒形，置于內(nèi)外定子之間。籠型轉(zhuǎn)子杯型轉(zhuǎn)子5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)工作原理：當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，在空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。假設(shè)永久磁鐵按順時(shí)針?lè)较蛞赞D(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)，那么它的磁力線就以順時(shí)針?lè)较蚯懈钷D(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)右手定則可以判定，在N極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢(shì)方向?yàn)榇怪钡貜募埫娉鰜?lái)，而在S極下導(dǎo)條的感應(yīng)電勢(shì)方向?yàn)榇怪钡剡M(jìn)入紙面。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條都是通過(guò)短路環(huán)連接起來(lái)的，因此在感應(yīng)電勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就會(huì)有電流流過(guò)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)工作原理：此時(shí)，根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力原理，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)條又要與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，這個(gè)電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上，并對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則判斷電磁力方向可知，電磁轉(zhuǎn)矩方向與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是一致的，也是順時(shí)針?lè)较颉Ｒ虼?，鼠籠轉(zhuǎn)子便在電磁轉(zhuǎn)矩作用下順著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸人的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖最終趨于零，從而達(dá)到使舵機(jī)精確定位的目的。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)的工作原理標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有三條控制線，分別為電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流電機(jī)及控制電路所需的能源，電壓通常介于4V~6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。小舵機(jī)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

3.伺服電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)：

伺服電機(jī)最大的特點(diǎn)是在有控制信號(hào)輸入時(shí)，它就轉(zhuǎn)動(dòng)；沒(méi)有控制信號(hào)輸入，它就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。改變控制電壓的大小和相位(或極性)，就可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

另外，伺服電機(jī)與普通電機(jī)相比還具有以下特點(diǎn)：

1）調(diào)速范圍寬廣。伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

2）轉(zhuǎn)子的慣性小。能夠?qū)崿F(xiàn)迅速的啟動(dòng)、停轉(zhuǎn)。

3）控制功率小，過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性好。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

3.伺服電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用應(yīng)用：

伺服電機(jī)在機(jī)器人上用作執(zhí)行元件，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的功率、種類、結(jié)構(gòu)形式和容量等因素合理的選擇伺服電機(jī)。比如自動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)盡可能選用交流伺服電機(jī)，而對(duì)調(diào)速和控制精度要求很高的場(chǎng)合則要選用直流伺服電機(jī)或其他專用的控制電機(jī)。比如頻繁啟停的場(chǎng)合應(yīng)選用空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)，速度要求比較平穩(wěn)的場(chǎng)合應(yīng)選用大慣量伺服電機(jī)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.3伺服電機(jī)

4.舵機(jī)的單片機(jī)控制單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：一是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，二是脈寬的調(diào)整。可以用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。如果系統(tǒng)中需要控制幾個(gè)舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用單片機(jī)和計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生PWM信號(hào)。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.4其它電機(jī)1.機(jī)器人其它電機(jī)的類型伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器1）直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)2）超聲波電動(dòng)機(jī)3）真空電動(dòng)機(jī)5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.4其它電機(jī)2.結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1）直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載直接耦合，無(wú)中間傳動(dòng)裝置。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是省略了減速傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠提高機(jī)械效率，增大機(jī)構(gòu)剛度，消除機(jī)構(gòu)間隙，減小慣性。缺點(diǎn)是電機(jī)直接安裝在各關(guān)節(jié)處，增大了關(guān)節(jié)重量。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.4其它電機(jī)2.結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2）超聲波電機(jī)

與傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)不同，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)作為動(dòng)力源的一種新型電機(jī)，它由振動(dòng)部分和移動(dòng)部分所組成，靠振動(dòng)部分和移動(dòng)部分之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)。特點(diǎn)：體積小，重量輕，不用制動(dòng)器，速度和位置控制靈敏度高，轉(zhuǎn)子慣性小，響應(yīng)性能好，沒(méi)有電磁噪聲等。5.2機(jī)器人電機(jī)5.2.4其它電機(jī)2.結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)3）真空電動(dòng)機(jī)用于超潔凈、高真空度、高低溫測(cè)試環(huán)境下使用的真空機(jī)器人，例如用于搬運(yùn)半導(dǎo)體硅片的超真空機(jī)器人等。

特點(diǎn)：能夠在高溫、低溫和高真空度環(huán)境下使用。THANKYOU第6章機(jī)器人硬件電路教學(xué)目標(biāo)《機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用》1.了解機(jī)器人常用的電池種類、特點(diǎn)，以及電池的使用注意事項(xiàng)。2.了解機(jī)器人常用的外接電源種類和特點(diǎn)。目錄頁(yè)P(yáng)AGEOFCONTENT6.1機(jī)器人電源6.2機(jī)器人控制器6.3機(jī)器人傳感器6.1機(jī)器人電源6.1機(jī)器人電源移動(dòng)機(jī)器人常用的電池有干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘鎳氫電池、鋰離子鋰聚合物動(dòng)力電池等。1、干電池干電池（Drycell）是一種以糊狀電解液來(lái)產(chǎn)生直流電的化學(xué)電池（濕電池則為使用液態(tài)電解液的化學(xué)電池），大致上分為一次電池及二次電池兩種，是日常生活之中為普遍使用，以及輕便的電池。不僅適用于手電筒、半導(dǎo)體收音機(jī)、收錄機(jī)、照相機(jī)、電子鐘、玩具等，而且也適用于國(guó)防、科研、電信、航海、航空、醫(yī)學(xué)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域。6.1機(jī)器人電源6.1機(jī)器人電源1、干電池普通干電池大都是錳鋅電池。中間是正極碳棒，外包石墨和二氧化錳的混合物，再外是一層纖維網(wǎng)，網(wǎng)上涂有很厚的電解質(zhì)糊，其構(gòu)成是氯化銨溶液和淀粉，另有少量防腐劑。最外層是金屬鋅皮做的筒，也就是負(fù)極。6.1機(jī)器人電源1、干電池電池放電就是氯化銨與鋅的電解反應(yīng)，釋放出的電荷由石墨傳導(dǎo)給正極碳棒，鋅的電解反應(yīng)是會(huì)釋放氫氣的，這氣體是會(huì)增加電池內(nèi)阻的，而和石墨相混的二氧化錳就是用來(lái)吸收氫氣的。但若電池連續(xù)工作或是用的太久，二氧化錳就來(lái)不及或已近飽和沒(méi)能力再吸收了，此時(shí)電池就會(huì)因內(nèi)阻太大而輸出電流太小而失去作用。但此時(shí)若將電池加熱，或放置一段時(shí)間，它內(nèi)部的聚集氫氣就會(huì)受熱放出或緩慢放出，二氧化錳也到了還原恢復(fù)，那電池就會(huì)有恢復(fù)活力。6.1機(jī)器人電源1、干電池隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，干電池已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)大的家族，到目前為止已經(jīng)約有100多種。普通鋅錳電池也稱碳性電池，是市場(chǎng)上最常見，最便宜的一種。根據(jù)采用的材料，制造工藝不同區(qū)分為普通型和“高能電池”（或稱高性能電池）。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉；缺點(diǎn)：電容量低，不適合需要大電流和較長(zhǎng)期連續(xù)工作的場(chǎng)合。6.1機(jī)器人電源1、干電池干電池的三項(xiàng)指標(biāo)：1）標(biāo)稱電壓：電池正常工作時(shí)的路端電壓。新電池或剛充完電的電池電壓會(huì)略高于額定電壓，開始使用后馬上就會(huì)落到這一值上，此后能在這一值上保持較長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)?shù)陀谠撾妷汉?，電池電壓就?huì)較快地下降，直至不能使用。2）容量：電池的電能量，一般用mAh表示。500mAh表示什么？3）存放期和自放電率。一般一次性電池有存放時(shí)間，約2-3年左右。這是由于電池在自由放置時(shí)的放電效應(yīng)引起的，充電電池會(huì)自放電嗎？表示此電池以50mA的電流放電，能工作10小時(shí)。充電電池由于自放電率較高，一般直接給出自放電率，每月百分之幾。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池（Lead-acidbattery）主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。分為排氣式蓄電池和免維護(hù)鉛酸電池。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池2、鉛酸蓄電池電池主要由管式正極板、負(fù)極板、電解液、隔板、電池槽、電池蓋、極柱、注液蓋等組成。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池常用的鉛酸蓄電池主要分三大類：1）普通蓄電池：普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液。優(yōu)點(diǎn)：電壓穩(wěn)定、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：比能低（即每公斤蓄電池存儲(chǔ)的電能）、使用壽命短和日常維護(hù)頻繁。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池常用的鉛酸蓄電池主要分三大類：2）干荷蓄電池：全稱是干式荷電鉛酸蓄電池。主要特點(diǎn)：負(fù)極板有較高的儲(chǔ)電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內(nèi)保存所得到的電量，使用時(shí)，只需加入電解液，等過(guò)20—30分鐘就可使用。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池常用的鉛酸蓄電池主要分三大類：3）免維護(hù)蓄電池①由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命期內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。②使用壽命長(zhǎng)，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。③有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池應(yīng)用：鉛酸蓄電池大多應(yīng)用在牽引車、三輪車、汽車起動(dòng)等，而免維護(hù)鉛酸蓄電池應(yīng)用范圍更廣，包括不間斷電源、電動(dòng)車動(dòng)力、電動(dòng)自行車電池等。6.1機(jī)器人電源2、鉛酸蓄電池電池的安裝、運(yùn)輸和存儲(chǔ)、使用、運(yùn)行檢查注意事項(xiàng)。6.1機(jī)器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（1）鎳鎘電池鎳鎘電池（Ni-Cd，Nickel-CadmiumBatteries，Ni-CdRechargeableBattery）是最早應(yīng)用于手機(jī)、超科等設(shè)備的電池種類。它具有良好的大電流放電特性、耐過(guò)充放電能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，非常的經(jīng)濟(jì)。內(nèi)阻小，可供大電流的放電，當(dāng)它放電時(shí)電壓的變化很小，作為直流電源是一種質(zhì)量極佳的電池。因?yàn)椴捎猛耆芊馐?，因此不?huì)有電解液漏出的現(xiàn)象，也完全不需要補(bǔ)充電解液。6.1機(jī)器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（1）鎳鎘電池用途：大型袋式和開口式鎘鎳電池主要用于鐵路機(jī)車、礦山、裝甲車輛、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等作起動(dòng)或應(yīng)急電源。圓柱密封式鎘鎳電池主要用于電動(dòng)工具、剃須器等便攜式電器。小型扣式鎘鎳電池主要用于小電流、低倍率放電的無(wú)繩電話、電動(dòng)玩具等。6.1機(jī)器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（2）鎳氫電池鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。6.1機(jī)器人電源3、鎳鎘鎳氫電池（2）鎳氫電池應(yīng)用：用于消費(fèi)性電子產(chǎn)品用于遙控玩具。用于混合動(dòng)力車輛。用于能量再生系統(tǒng)，比如將汽車減速時(shí)產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)在鎳氫充電電池中再利用。6.1機(jī)器人電源4、鋰電池鋰電池大致可分為兩類：鋰離子電池和鋰聚合物電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。鋰聚合物電池主要有以下幾類：鋰-氟化石墨電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池、鋰-硫化鐵電池以及鋰-氧化銅電池等。6.1機(jī)器人電源4、鋰電池（1）鋰電池的特征高能量密度。鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。高電壓。一個(gè)鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當(dāng)于三個(gè)串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。無(wú)污染。鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。不含金屬鋰。鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機(jī)運(yùn)輸關(guān)于禁止在客機(jī)攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。6.1機(jī)器人電源4、鋰電池（1）鋰電池的特征循環(huán)壽命高。在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過(guò)500次，磷酸亞鐵鋰（以下稱磷鐵）則可以達(dá)到2000次。無(wú)記憶效應(yīng)。記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過(guò)程中，電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)?？焖俪潆?。使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池在1.5--2.5個(gè)小時(shí)內(nèi)就充滿電；而新開發(fā)的磷鐵鋰電池，已經(jīng)可以在35分鐘內(nèi)充滿電。6.1機(jī)器人電源4、鋰電池（2）鋰電池的應(yīng)用鋰錳電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓，更適合作集成電路電源，廣泛用于計(jì)算機(jī)、計(jì)算器、手表中。鋰離子電池大量應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具、電動(dòng)車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上，可以說(shuō)是最大的應(yīng)用群體。6.1機(jī)器人電源6.1.2外接電源1.服務(wù)機(jī)器人外接電源把市電220V的電壓進(jìn)得了降壓，降到適合服務(wù)機(jī)器人所需要的電壓，再提供給服務(wù)機(jī)器人，因此外接電源說(shuō)成是電源適配器更恰當(dāng)。6.1機(jī)器人電源6.1機(jī)器人電源6.1.2外接電源2.工業(yè)機(jī)器人外接電源工業(yè)機(jī)器人的外接電源一般是由專門的配電柜來(lái)提供，而且一般采用的都是交流電。供電電源采用三相五相制電源中的L1、L2、L3、PE四線供電。若現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有PE（地線），也可用N（零線）替代，但必須在配電柜里接線6.1機(jī)器人電源6.2機(jī)器人控制器6.2.1機(jī)器人控制器的類型機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制器是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型（1）從機(jī)器人控制算法的處理方式來(lái)看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。

1）串行處理結(jié)構(gòu)單CPU結(jié)構(gòu)——集中控制方式二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)——主從式控制方式多CPU結(jié)構(gòu)——分布式控制方式6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型目前，計(jì)算機(jī)控制器普遍采用上、下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等。下位機(jī)由多CPU組成，每個(gè)CPU控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，這些CPU和主控機(jī)聯(lián)系是通過(guò)總線形式的緊耦合，這種結(jié)構(gòu)的控制器工作速度和控制性能明顯提高。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型以上幾種類型的控制器都是采用串行機(jī)來(lái)計(jì)算機(jī)器人控制算法，它們存在一個(gè)共同的弱點(diǎn)：計(jì)算負(fù)擔(dān)重、實(shí)時(shí)性差。所以大多采用離線規(guī)劃和前饋補(bǔ)償解耦等方法來(lái)減輕實(shí)時(shí)控制中的計(jì)算負(fù)擔(dān)，當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行中受到干擾時(shí)其性能將受到影響，更難以保證高速運(yùn)動(dòng)中所要求的精度指標(biāo)。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)

并行處理技術(shù)是提高計(jì)算速度的一個(gè)重要而有效的手段，能滿足機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性要求。從文獻(xiàn)來(lái)看，關(guān)于機(jī)器人控制器并行處理技術(shù)，人們研究較多的是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的并行算法及其實(shí)現(xiàn)。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)從機(jī)器人結(jié)構(gòu)上，并行處理結(jié)構(gòu)主要分為以下幾種：以單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)；以PLC為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)；以工控機(jī)為核心的控制系統(tǒng)；6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)（1）單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制

一般用于服務(wù)機(jī)器人，它是把單片機(jī)（MCU）嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中，能夠獨(dú)立運(yùn)行并且?guī)в型ㄓ媒涌诜绞椒奖闩c其他設(shè)備通訊。單片機(jī)是單一芯片集成了中央處理器、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等，利用它設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器電路原理簡(jiǎn)潔、運(yùn)行性能良好、系統(tǒng)的成本低。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)（2）以PLC為核心的機(jī)器人控制

一般用于工業(yè)機(jī)器人。PLC即可編程邏輯控制器，一種用于自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制的數(shù)位邏輯控制器，專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，符合工業(yè)環(huán)境要求。它是自控技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合而成自動(dòng)化控制產(chǎn)品。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)（2）以PLC為核心的機(jī)器人控制優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、編程方便，在可靠性、擴(kuò)展性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性有明顯優(yōu)勢(shì)，并且有體積小、方便安裝維護(hù)、互換性強(qiáng)等，有整套技術(shù)方案供參考，縮短了開發(fā)周期。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)（2）以PLC為核心的機(jī)器人控制

缺點(diǎn)：和以單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)一樣，不支持先進(jìn)的復(fù)雜的算法，不能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，雖然一般環(huán)境可靠性好但在高頻環(huán)境下運(yùn)行不穩(wěn)定，不能滿足機(jī)器人系統(tǒng)的多軸聯(lián)動(dòng)等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。6.2機(jī)器人控制器

1、機(jī)器人控制器的類型

2）并行處理結(jié)構(gòu)

3）工控機(jī)為核心的控制

一般用于工業(yè)機(jī)器人?；诠た貦C(jī)的控制器是機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用主流和發(fā)展趨勢(shì)。優(yōu)點(diǎn)：基于工控機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)成本低，系統(tǒng)兼容性好，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，計(jì)算能力優(yōu)勢(shì)明顯，因此由于計(jì)算機(jī)平臺(tái)和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的使用為動(dòng)態(tài)控制算法和復(fù)雜軌跡規(guī)劃提供了硬件方面的保障。6.2機(jī)器人控制器2、機(jī)器人控制器存在的問(wèn)題開放性差，局限于“專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語(yǔ)言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)；軟件獨(dú)立性差，軟件結(jié)構(gòu)及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植；容錯(cuò)性差，由于并行計(jì)算中的數(shù)據(jù)相關(guān)性、通訊及同步等內(nèi)在特點(diǎn)，控制器的容錯(cuò)性能變差，其中一個(gè)處理器出故障可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

擴(kuò)展性差，由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如增加傳感器控制等功能模塊。6.2機(jī)器人控制器2、機(jī)器人控制器存在的問(wèn)題解決方法：開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器，其主要思想是：

利用基于非封閉式計(jì)算機(jī)平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)，有效利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的軟、硬件資源為控制器擴(kuò)展創(chuàng)造條件。

利用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和控制語(yǔ)言，改變各種專用機(jī)器人語(yǔ)言并存且互不兼容的局面。

采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，使得如各種傳感器，I/O板、運(yùn)動(dòng)控制板等硬件可以很容易的集成到原系統(tǒng)。

利用網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)資源共享或遠(yuǎn)程通訊。6.2機(jī)器人控制器

3、新型機(jī)器人控制器新型機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：●開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便的擴(kuò)充功能，使其適用不同類型機(jī)器人或機(jī)器人化自動(dòng)生產(chǎn)線?！窈侠淼哪K化設(shè)計(jì)。對(duì)硬件來(lái)說(shuō)，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計(jì)，這不僅方便安裝和維護(hù)，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊?！裼行У娜蝿?wù)劃分。不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)，以利于修改、添加、配置功能。6.2機(jī)器人控制器

3、新型機(jī)器人控制器新型機(jī)器人控制器應(yīng)有以下特色：●實(shí)時(shí)性。機(jī)器人控制器必須能在確定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理，并且可以使多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行?！窬W(wǎng)絡(luò)通訊功能。利用網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，以便于實(shí)現(xiàn)資源共享或多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作。●形象直觀的人機(jī)接口。6.2機(jī)器人控制器

6.2.2基于單片機(jī)的控制器單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。單片機(jī)是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。6.2機(jī)器人控制器

1、單片機(jī)的組成單片機(jī)主要是由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成。

1）運(yùn)算器由運(yùn)算部件——算術(shù)邏輯單元（Arithmetic&LogicalUnit，簡(jiǎn)稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。2）控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器和操作控制器等組成，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的操作。6.2機(jī)器人控制器

1、單片機(jī)的組成單片機(jī)主要是由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成。3）主要寄存器包括累加器A、數(shù)據(jù)寄存器DR、指令寄存器IR和指令譯碼器ID、程序計(jì)數(shù)器PC、地址寄存器AR6.2機(jī)器人控制器

2、單片機(jī)的分類單片機(jī)（Microcontrollers）作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機(jī)大致可以分為：通用型和專用型總線型和非總線型工控型和家電型6.2機(jī)器人控制器

2、單片機(jī)的分類（1）通用型和專用型這是按單片機(jī)適用范圍來(lái)區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對(duì)一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。6.2機(jī)器人控制器

2、單片機(jī)的分類（2）總線型和非總線型這是按單片機(jī)是否提供并行總線來(lái)區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機(jī)連接；另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。6.2機(jī)器人控制器

2、單片機(jī)的分類（3）工控型和家電型這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。6.2機(jī)器人控制器

3、單片機(jī)的硬件特性●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；●單片機(jī)可靠性高，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；●處理功能強(qiáng)，速度快?！竦碗妷?，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品●控制功能強(qiáng)●環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。6.2機(jī)器人控制器

4、單片機(jī)控制器的應(yīng)用（1）智能儀器，例如精密的測(cè)量設(shè)備（電壓表、示波器、功率計(jì)等）（2）工業(yè)控制，例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制等。（3）家用電器，如電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、電子秤（4）網(wǎng)絡(luò)和通信，如移動(dòng)電話、無(wú)線電對(duì)講機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無(wú)線通信等（5）設(shè)備領(lǐng)域，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀。（6）模塊化系統(tǒng)，如CD機(jī)（7）汽車電子，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、abs防抱死系統(tǒng)等。6.2機(jī)器人控制器

4、單片機(jī)控制器的應(yīng)用此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。6.2機(jī)器人控制器6.2.3基于PLC的控制器PLC，即可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController），是一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存，進(jìn)行儲(chǔ)存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蓛?nèi)部CPU，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元組合成。6.2機(jī)器人控制器6.2.3基于PLC的控制器PLC的作用：采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的核心部分。在可編程邏輯控制器出現(xiàn)之前，一般要使用成百上千的繼電器以及計(jì)數(shù)器才能組成具有相同功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，而現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)編程的簡(jiǎn)單的可編程邏輯控制器模塊基本上已經(jīng)代替了這些大型裝置6.2機(jī)器人控制器6.2機(jī)器人控制器

1、PLC控制器的基本結(jié)構(gòu)

PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：

1）電源一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。

2）中央處理單元(CPU)PLC的控制中樞。接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)；診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。6.2機(jī)器人控制器1、PLC控制器的基本結(jié)構(gòu)3）存儲(chǔ)器4）輸入輸出接口電路5）功能模塊，如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。6）通信模塊，如以太網(wǎng)、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。6.2機(jī)器人控制器6.2機(jī)器人控制器2、PLC控制器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）配置方便2）安裝方便3）編程方便4）維修方便5）改用方便6.2機(jī)器人控制器2、PLC控制器的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：PLC的體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語(yǔ)言及指令系統(tǒng)也各異，當(dāng)用戶選擇了一種PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，并且學(xué)習(xí)特定的編程語(yǔ)言。6.2機(jī)器人控制器

6.2.4基于工控機(jī)的控制器工控機(jī)又叫工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IndustrialPersonalComputer—IPC），是一種加固的采用總線結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具總稱。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力、友好的人機(jī)界面。6.2機(jī)器人控制器

6.2.4基于工控機(jī)的控制器工控行業(yè)的產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)產(chǎn)品的易維護(hù)性、散熱、防塵、產(chǎn)品周期、甚至尺寸方面都有著嚴(yán)格的要求，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，所以工控機(jī)通常會(huì)進(jìn)行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設(shè)計(jì)。6.2機(jī)器人控制器1、工控機(jī)的分類（1）按高度分類。一般分1U（44MM*430MM*XX），2U（88*430*XX），3U，4U（176MM*430MM*XX），5U，6U，7U，8U等，一個(gè)1U的高度是44MM，其他高度依次類推。（2）按長(zhǎng)度分類。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度有兩種450MM與505MM，根據(jù)客戶的具體要求還可以擴(kuò)分其他長(zhǎng)度，比如：480MM，500MM，520MM，530MM，600MM等；其中450MM~520MM的尺寸機(jī)箱占市場(chǎng)需求的90%以上。6.2機(jī)器人控制器1、工控機(jī)的分類（3）按懸掛形式分類。一般有臥式與壁掛式。（4）按使用場(chǎng)合分類。目前工控機(jī)的主要類別有五種：1）IPC（PC總線工業(yè)電腦）2）PLC（可編程控制系統(tǒng)）3）DCS（分散型控制系統(tǒng)）4）FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)）5）CNC（數(shù)控系統(tǒng)）6.2機(jī)器人控制器2、工控機(jī)的主要組成結(jié)構(gòu)1）硬盤架、光驅(qū)架：硬盤架分為分拆式和壓卡式兩種，品質(zhì)優(yōu)異的機(jī)箱一般都帶金屬?gòu)椈煞勒鸸δ?；安裝硬盤數(shù)量一般從4—15個(gè)；2）底板3）壓卡條：主要起固定作用。4）后槽的擴(kuò)展：有7槽或14槽兩種；5）工控機(jī)箱的導(dǎo)熱6）工控機(jī)箱的抗震6.2機(jī)器人控制器2、工控機(jī)的主要組成結(jié)構(gòu)

7）工控機(jī)箱的電磁屏蔽屏蔽主機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，保護(hù)人體健康；還能有效地阻隔外部輻射干擾，保證計(jì)算機(jī)內(nèi)部配件不受外部輻射影響。8）無(wú)源底板9）工業(yè)電源10）CPU卡，IPC的CPU卡有多種，根據(jù)尺寸可分為長(zhǎng)卡和半長(zhǎng)卡。

11）其他配件：IPC的其他配件基本上都與PC機(jī)兼容，主要有CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤、軟驅(qū)、鍵盤、鼠標(biāo)、光驅(qū)、顯示器等。6.2機(jī)器人控制器3、工控機(jī)的應(yīng)用工控機(jī)控制器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及人們生活的方方面面。例如：控制現(xiàn)場(chǎng)、路橋控制收費(fèi)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、通訊保障、智能交通管控系統(tǒng)、樓宇監(jiān)控安防、語(yǔ)音呼叫中心、排隊(duì)機(jī)、POS柜臺(tái)收銀機(jī)、數(shù)控機(jī)床、加油機(jī)、金融信息處理、石化數(shù)據(jù)采集處理、物探、野外便攜作業(yè)、環(huán)保、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、地鐵、智能樓宇、戶外廣告等。6.2機(jī)器人控制器4、工控機(jī)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)

工控機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比必須具有以下優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。②機(jī)箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽。③機(jī)箱內(nèi)有專門電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。④要求具有連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作能力。⑤一般采用便于安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱（4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱較為常見）。6.2機(jī)器人控制器4、工控機(jī)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)與普通的商用計(jì)算機(jī)機(jī)相比，缺點(diǎn)如下：①配置硬盤容量小；②數(shù)據(jù)安全性低；③存儲(chǔ)選擇性??；④價(jià)格較高。6.3機(jī)器人傳感器6.3.1光電傳感器光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元器件。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。

1.外光電效應(yīng)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等，如圖所示。光電管外形圖

光電倍增管的外形圖3.4.2光電元件基于外光電效應(yīng)的光電元件——光電管