機(jī)器人控制系統(tǒng)

1、機(jī)器人控制系統(tǒng) 機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng) 第一講第一講 機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成(硬件硬件) 中心控制器中心控制器 信號處理信號處理 放大電路放大電路 驅(qū)動電路驅(qū)動電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感器傳感器 其它電路其它電路 輸入輸出輸入輸出電源電源軟件軟件 機(jī)器人控制系統(tǒng) 一個典型機(jī)器人控制系統(tǒng)(比賽) 如圖所示的是一個比賽機(jī)器人控制系統(tǒng)它 的主要組成部分如下: 中心控制器單片機(jī)單片機(jī) 驅(qū)動電路橋式橋式PWM調(diào)速電路調(diào)速電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 信號處理電路光電隔離接入電路光電隔離接入電路 傳感器光電傳感器、各類開關(guān)光電傳感器、各類開關(guān) 輸入輸出編程器編程器 機(jī)器

2、人控制系統(tǒng) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 機(jī)器人的擬人化比喻機(jī)器人的擬人化比喻 人人 機(jī)器人機(jī)器人 大腦大腦 中心控制器中心控制器 感官感官 傳感器傳感器 手和腳手和腳 運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 神經(jīng)和肌肉神經(jīng)和肌肉 驅(qū)動放大及連接線路驅(qū)動放大及連接線路 機(jī)器人控制系統(tǒng) 中心控制器 任務(wù)和功能任務(wù)和功能 執(zhí)行控制程序執(zhí)行控制程序,通過外圍電路控制執(zhí)行機(jī)通過外圍電路控制執(zhí)行機(jī) 構(gòu)完成相關(guān)動作構(gòu)完成相關(guān)動作. 根據(jù)傳感器的輸入信息判斷機(jī)器人工作根據(jù)傳感器的輸入信息判斷機(jī)器人工作 狀態(tài)狀態(tài),決定機(jī)器人下一步的動作決定機(jī)器人下一步的動作. 機(jī)器人控制系統(tǒng) 控制器的種類 單片機(jī)單片機(jī) 特點(diǎn)特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單,經(jīng)經(jīng)

3、 濟(jì)性好濟(jì)性好 應(yīng)用：簡單結(jié)構(gòu)應(yīng)用：簡單結(jié)構(gòu) 的機(jī)器人控制的機(jī)器人控制 機(jī)器人控制系統(tǒng) 嵌入式工業(yè)控制模塊嵌入式工業(yè)控制模塊 特點(diǎn)特點(diǎn):抗干擾能力較抗干擾能力較 強(qiáng)、運(yùn)算速較快、強(qiáng)、運(yùn)算速較快、 能適應(yīng)多種操作系能適應(yīng)多種操作系 統(tǒng)。統(tǒng)。 應(yīng)用：較復(fù)雜的機(jī)器人應(yīng)用：較復(fù)雜的機(jī)器人 須較強(qiáng)運(yùn)算能力的機(jī)器須較強(qiáng)運(yùn)算能力的機(jī)器 人。人。 機(jī)器人控制系統(tǒng) DSP（數(shù)字信號處理器）（數(shù)字信號處理器） 特點(diǎn)：運(yùn)算速度特點(diǎn)：運(yùn)算速度 比微處理器快，比微處理器快， 實時性好，適合實時性好，適合 嵌入式的實時數(shù)嵌入式的實時數(shù) 字信號處理。字信號處理。 應(yīng)用：結(jié)構(gòu)較復(fù)應(yīng)用：結(jié)構(gòu)較復(fù) 雜，實時性要求雜，實時性要求

4、較高的機(jī)器人較高的機(jī)器人 機(jī)器人控制系統(tǒng) 專用運(yùn)動控制卡專用運(yùn)動控制卡 獨(dú)立式運(yùn)動控制卡獨(dú)立式運(yùn)動控制卡 英國翠歐運(yùn)動控制卡英國翠歐運(yùn)動控制卡 國產(chǎn)國產(chǎn)MPC05運(yùn)動控制卡運(yùn)動控制卡 機(jī)器人控制系統(tǒng) 基于基于PC的運(yùn)動控制卡的運(yùn)動控制卡 PCI總線的運(yùn)動控制卡總線的運(yùn)動控制卡(國國 產(chǎn)產(chǎn)PCI208) 104總線的運(yùn)動控制卡總線的運(yùn)動控制卡(美國美國 PMAC) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器 功能和作用功能和作用:對機(jī)器人本身的狀態(tài)和外界的對機(jī)器人本身的狀態(tài)和外界的 信息狀態(tài)進(jìn)行檢測信息狀態(tài)進(jìn)行檢測.為機(jī)器人進(jìn)行下一步的為機(jī)器人進(jìn)行下一步的 動作提供信息依據(jù)動作提供信息依據(jù). 種類種類:機(jī)器人用傳感

5、器有很多類型但主要類機(jī)器人用傳感器有很多類型但主要類 型有四五種型有四五種. 主要有光線類傳感器、觸覺開關(guān)類傳感器、主要有光線類傳感器、觸覺開關(guān)類傳感器、 超聲探測器、溫度等檢測類傳感器、電源超聲探測器、溫度等檢測類傳感器、電源 檢測類傳感器。檢測類傳感器。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 光線類傳感器光線類傳感器 光線傳感器有很多種類主要用于測距、目光線傳感器有很多種類主要用于測距、目 標(biāo)檢測、顏色識別。可作為機(jī)器人定位、標(biāo)檢測、顏色識別。可作為機(jī)器人定位、 巡線、目標(biāo)檢測和識別類傳感器。巡線、目標(biāo)檢測和識別類傳感器。 漫反射光電傳感器漫反射光電傳感器 激光傳感器激光傳感器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 紅外光電傳感器紅

6、外光電傳感器 光纖傳感器光纖傳感器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 觸覺開關(guān)類傳感器觸覺開關(guān)類傳感器 觸覺開關(guān)主要用于機(jī)器人狀態(tài)檢測、近距觸覺開關(guān)主要用于機(jī)器人狀態(tài)檢測、近距 離目標(biāo)探測等。有非接觸式和接觸式兩類。離目標(biāo)探測等。有非接觸式和接觸式兩類。 接觸式有微動開關(guān)、行程開關(guān)、擋鐵等接觸式有微動開關(guān)、行程開關(guān)、擋鐵等。 接觸式的行程開接觸式的行程開 關(guān)關(guān) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 非接觸式的開關(guān)有電容和電感等形式上圖是非接觸式的開關(guān)有電容和電感等形式上圖是 一種電容式接近開關(guān)一種電容式接近開關(guān) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 檢測類傳感器檢測類傳感器 各類物理量的檢測（如溫度、壓力、速度、各類物理量的檢測（如溫度、壓力、速度、 位

7、移、加速度等）都屬于位置傳感器。位移、加速度等）都屬于位置傳感器。 右圖為用于測量電機(jī)右圖為用于測量電機(jī) 轉(zhuǎn)速和角位移的增量轉(zhuǎn)速和角位移的增量 式編碼器式編碼器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 壓力傳感器壓力傳感器測力傳感器測力傳感器溫度傳感器溫度傳感器 位移傳感器位移傳感器 扭矩傳感器扭矩傳感器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 超聲傳感器 測距超聲傳感器測距超聲傳感器邦納超聲傳感器邦納超聲傳感器 超聲傳感器主要用于測距和機(jī)器人定位超聲傳感器主要用于測距和機(jī)器人定位. 機(jī)器人控制系統(tǒng) 電源檢測傳感器電源檢測傳感器 電源檢測傳感器主要有電流和電壓傳感器電源檢測傳感器主要有電流和電壓傳感器,其作用是對其作用是對 電源進(jìn)行監(jiān)測防止

8、由于電源的變化引起的機(jī)器人故障電源進(jìn)行監(jiān)測防止由于電源的變化引起的機(jī)器人故障, 可根據(jù)電源參數(shù)的變化判斷機(jī)器人有無故障可根據(jù)電源參數(shù)的變化判斷機(jī)器人有無故障.主要有電流主要有電流 和電壓傳感器和電壓傳感器. 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 接入式電流傳感器接入式電流傳感器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 電壓傳感器電壓傳感器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 驅(qū)動放大器驅(qū)動放大器 作用作用:對控制器送來驅(qū)動信號進(jìn)行運(yùn)對控制器送來驅(qū)動信號進(jìn)行運(yùn) 算放大控制和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)算放大控制和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu).驅(qū)動驅(qū)動 器的種類很多器的種類很多. 控制的方式有：閉環(huán)、開環(huán)及部分控制的方式有：閉環(huán)、開環(huán)及部分 閉環(huán)三種閉環(huán)三種 驅(qū)動主要器件有：三極

9、管、晶閘管、驅(qū)動主要器件有：三極管、晶閘管、 場效應(yīng)管、固態(tài)繼電器等。場效應(yīng)管、固態(tài)繼電器等。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 閉環(huán)驅(qū)動器閉環(huán)驅(qū)動器 瑞士瑞士MAX公司的閉環(huán)驅(qū)動器公司的閉環(huán)驅(qū)動器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 自制的驅(qū)動信號接口板自制的驅(qū)動信號接口板 機(jī)器人控制系統(tǒng) 自制的場效應(yīng)管驅(qū)動器自制的場效應(yīng)管驅(qū)動器(開環(huán)開環(huán)) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 放大器件 大功率大功率 三極管三極管 大功率大功率 場效應(yīng)場效應(yīng) 管管 固態(tài)繼固態(tài)繼 電器電器 可控硅可控硅 機(jī)器人控制系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)不可器人最終完成動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)不可器人最終完成動作 的部件的部件,是控制系統(tǒng)控制的對象是控制系統(tǒng)控制的對象.主要有主

10、要有 電機(jī)、液壓油缸、液壓馬達(dá)等。電機(jī)、液壓油缸、液壓馬達(dá)等。 電機(jī)的種類有很多，常用的有交直侍電機(jī)的種類有很多，常用的有交直侍 服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無刷電機(jī)、普通服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無刷電機(jī)、普通 交直流電機(jī)。交直流電機(jī)。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 各類電機(jī)各類電機(jī) 交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 各類電機(jī)各類電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 無刷電機(jī)無刷電機(jī) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 電源電源 電源包括各類電池及各類電源 模塊和整流穩(wěn)壓電源。電池提 供能源，模塊電源提供各種電 壓，整流器完成AC-DC轉(zhuǎn)換。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 電池電池 鋰電池鋰電池:體積小體積小 壽命長壽命長,放電平放電平

11、 穩(wěn)穩(wěn) 鉛酸電池鉛酸電池:體體 積大積大,放電不放電不 平穩(wěn)平穩(wěn) 鎳氫電池鎳氫電池:體積較小體積較小 小小,壽命較長壽命較長,放電放電 平穩(wěn)平穩(wěn) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 電源電源 開關(guān)電源開關(guān)電源:體積體積 小效率高小效率高 模塊電源模塊電源:體積體積 小小,電壓穩(wěn)電壓穩(wěn) 普通電源普通電源:體積體積 大大,效率低效率低 機(jī)器人控制系統(tǒng) 第二講機(jī)器人控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)第二講機(jī)器人控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù) 簡介簡介 1 電機(jī)的控制電機(jī)的控制 機(jī)器人中常用的電機(jī)有：有刷機(jī)器人中常用的電機(jī)有：有刷 直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步 進(jìn)電機(jī)、超聲電機(jī)等。各種電進(jìn)電機(jī)、超聲電機(jī)等。各種電 機(jī)的控制方

12、法也不盡相同。電機(jī)的控制方法也不盡相同。電 機(jī)的控制主要有速度、方向、機(jī)的控制主要有速度、方向、 剎車及開停等。剎車及開停等。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 電機(jī)的電機(jī)的PWM調(diào)速調(diào)速 PWM (Pulse Width odulation) 控制就是控制就是 寬調(diào)制技術(shù)：即通過寬調(diào)制技術(shù)：即通過 對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制， 來等效的獲得所需要的電壓值來等效的獲得所需要的電壓值 （含形狀和幅值（含形狀和幅值) )。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 直流電動機(jī)調(diào)速原理直流電動機(jī)調(diào)速原理 直流電動機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成，定子 可以是磁極或勵磁繞組。 其轉(zhuǎn)速與加在轉(zhuǎn)子電樞上的電壓 Ua有關(guān)，有關(guān)， Ua轉(zhuǎn)

13、速轉(zhuǎn)速V；所加電壓極性 改變，則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。 據(jù)此原理，通過改變電動機(jī)電樞電壓接 通和斷開的時間比（即占空比）來控制電 動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法就稱為脈沖寬度調(diào)脈沖寬度調(diào) 制制PWM。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式（平均轉(zhuǎn)速）： Vd=Vmax * D Vd-電動機(jī)平均轉(zhuǎn)速 Vmax 全通電時速度（最大） D= t1 /T-占空比， t1是通電時 間，T是脈寬周期。D1。 Vd D，與單純的周期T無關(guān) 機(jī)器人控制系統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速圖示直流電機(jī)調(diào)速圖示 機(jī)器人控制系統(tǒng) Vd與與D只是近似的線性關(guān)系，與單純的周期只是近似的線性關(guān)系，與單純的周期T 無關(guān)（與步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速脈沖不同，步進(jìn)無關(guān)（與步進(jìn)電機(jī)

14、的調(diào)速脈沖不同，步進(jìn) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比）。在電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比）。在D不變不變 的情況下，的情況下，T越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越平穩(wěn)。越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越平穩(wěn)。 速度和占空比之間的關(guān)系速度和占空比之間的關(guān)系 機(jī)器人控制系統(tǒng) 有刷直流電機(jī)的控制有刷直流電機(jī)的控制 正轉(zhuǎn)：正轉(zhuǎn)：SW1SW1、SW4SW4閉合閉合 反轉(zhuǎn)：反轉(zhuǎn)：SW2SW2、SW3SW3閉合閉合 剎車：剎車：SW2SW2、SW4SW4閉合閉合 （或（或SW1SW1、SW3SW3閉合）閉合） 滑行：滑行：SW1SW1、SW2SW2、SW3SW3、 SW4SW4全部斷開全部斷開 電機(jī)控制示意圖。電機(jī)控制示意圖。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 控制數(shù)

15、據(jù)控制數(shù)據(jù) 運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn) 狀態(tài)狀態(tài) 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài) PA1 PA0SW1 SW2 SW3 SW4 10正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)1001 01反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)0110 11剎車剎車0101 00滑行滑行0000 雙向控制電動機(jī)工作狀態(tài)真值表雙向控制電動機(jī)工作狀態(tài)真值表 PA0、PA1為為0時，時，SW1、 SW3才有可能導(dǎo)通才有可能導(dǎo)通 SWx狀態(tài)：狀態(tài)：PA0、1為為1時導(dǎo)時導(dǎo) 通，為通，為0時截止時截止 SWx用的是場效應(yīng)管用的是場效應(yīng)管 PB0-PB7：設(shè)置脈沖寬度，：設(shè)置脈沖寬度， 即方波的占空比即方波的占空比 74LS125：四總線三態(tài)緩沖器：四總線三態(tài)緩沖器 電機(jī)控制過程實例電機(jī)控制過程實例 機(jī)器人控制系統(tǒng)

16、有刷直流電機(jī)的調(diào)速有刷直流電機(jī)的調(diào)速 開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的組成開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的組成 由五部分組成：由五部分組成： （1）占空比）占空比D的的 設(shè)定設(shè)定 1）用電位器調(diào)節(jié)、）用電位器調(diào)節(jié)、2） 用撥碼開關(guān)、用撥碼開關(guān)、3）用數(shù)字鍵盤）用數(shù)字鍵盤 （2）脈沖寬度發(fā)生器）脈沖寬度發(fā)生器 軟件編程軟件編程 （3）驅(qū)動器）驅(qū)動器 TTL放大電路放大電路 （4）電子開關(guān)）電子開關(guān) 用晶體管、場效應(yīng)管、可控硅、用晶體管、場效應(yīng)管、可控硅、 繼電器繼電器 （5）電動機(jī)）電動機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（開環(huán)）直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（開環(huán)） 機(jī)器人控制系統(tǒng) 占空比占空比 由脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式：由脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式：

17、 Vd=Vmax * D 電動機(jī)平均轉(zhuǎn)速電動機(jī)平均轉(zhuǎn)速Vd、全通電時速度、全通電時速度 Vmax 已知，對于給已知，對于給 定的平均轉(zhuǎn)速定的平均轉(zhuǎn)速Vd ，便可計算出占空比，便可計算出占空比D。 占空比占空比D= t1 /T ， t1是通電時間，是通電時間， t2是斷電時間。是斷電時間。 脈寬周期脈寬周期T= t1 + t2 占空比的實現(xiàn)有兩種方法占空比的實現(xiàn)有兩種方法 1、軟件計數(shù)法、軟件計數(shù)法 設(shè)單位時間（設(shè)單位時間（ t0 ）計一個數(shù)，則通電時間）計一個數(shù)，則通電時間t1計數(shù)計數(shù)N1= t1 / t0 ， 斷電時間斷電時間t2計數(shù)計數(shù)N2= t2 / t0 ，在脈沖輸出端，輸出高，在脈沖

18、輸出端，輸出高 電平計數(shù)電平計數(shù)N1，輸出低電平計數(shù)，輸出低電平計數(shù)N2，并讓輸出端如此循環(huán)，并讓輸出端如此循環(huán) 輸出即可。輸出即可。 2、硬件計數(shù)法、硬件計數(shù)法 用硬件計數(shù)器計數(shù)，分別輸出高電平和低電平，也如此用硬件計數(shù)器計數(shù)，分別輸出高電平和低電平，也如此 循環(huán)輸出即可。循環(huán)輸出即可。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 為了提高電動機(jī)脈沖寬為了提高電動機(jī)脈沖寬 度調(diào)速系統(tǒng)的精度，通度調(diào)速系統(tǒng)的精度，通 常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào)常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào) 速系統(tǒng)。速系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電動統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電動 機(jī)的速度檢測回路，意機(jī)的速度檢測回路，意 在將檢測到的速度與給在將檢

19、測到的速度與給 定值比較，并由數(shù)字調(diào)定值比較，并由數(shù)字調(diào) 節(jié)器（節(jié)器（PID）進(jìn)行調(diào)節(jié)。）進(jìn)行調(diào)節(jié)。 其原理框圖如左圖所其原理框圖如左圖所示。示。 閉環(huán)調(diào)速速示意圖閉環(huán)調(diào)速速示意圖 機(jī)器人控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)的控制 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 機(jī)理機(jī)理： 步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來一個 電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機(jī)械移電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機(jī)械移 動一小段距離。動一小段距離。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)給一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。給一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2

20、)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂泼}沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 通常按勵磁方式分為三大類：通常按勵磁方式分為三大類： 以反應(yīng)式為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理以反應(yīng)式為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 機(jī)器人控制系統(tǒng) 特點(diǎn)特點(diǎn) 定轉(zhuǎn)子開小定轉(zhuǎn)子開小 齒齒 定轉(zhuǎn)子均為定轉(zhuǎn)子均為 軟磁材料軟磁材料 小步距小步距 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 工作方式工作方式 (1 (1）三相繞組聯(lián)接方式：）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型型 （2 2）三相繞組中的通電順序為：）三相繞

21、組中的通電順序為： A 相相 B 相相 C 相相 通電順序也可以為：通電順序也可以為： A 相相 C 相相 B 相相 機(jī)器人控制系統(tǒng) 三相單三拍的特點(diǎn)：三相單三拍的特點(diǎn)： （1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30 。此。此 角稱為步距角，用角稱為步距角，用 S表示。表示。 （2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電 的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。 機(jī)器人控制系統(tǒng) （3）工作過程）工作過程 化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁 路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止

22、轉(zhuǎn)動。路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。 A 相通電，相通電，A 方向的磁方向的磁 通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。 若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向 原有一定角度，則在磁原有一定角度，則在磁 場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁 A A 相通電使轉(zhuǎn)子相通電使轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和 AA 對齊。對齊。 C A B BC A 3 4 1 2 機(jī)器人控制系統(tǒng) C A B BC A 3 4 1 2 B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒齒 和和B相軸線對齊，相對相軸線對齊，相對 A相通電位置轉(zhuǎn)相通電位置轉(zhuǎn)30 ； 1 C 3 42 C A B B A C相通電再轉(zhuǎn)相通

23、電再轉(zhuǎn)30 這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且， 一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 二、三相單雙六拍二、三相單雙六拍 三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。 工作過程：工作過程： A相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒和齒和A相對齊。相對齊。 C A B BC A 3 4 1 2 機(jī)器人控制系統(tǒng) 所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了1

24、5。 （1）BB 磁場對磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使齒有磁拉力，該拉力使 轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。 A、B相同時通電相同時通電 （2）AA 磁場繼續(xù)對磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。齒有拉力。 C A B BC A 3 4 1 2 機(jī)器人控制系統(tǒng) 總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱 為三相六拍，步距角為為三相六拍，步距角為15 。 C A B BC A 3 4 1 2 B相通電，轉(zhuǎn)子相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了相對齊，又轉(zhuǎn)了15 。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AB BC CA

25、AB 共三拍。共三拍。 AB通電通電 C A B BC A 3 4 1 2 C A B BC A 3 4 1 2 BC通電通電 機(jī)器人控制系統(tǒng) 工作方式為三相雙三工作方式為三相雙三 拍時，每通入一個電拍時，每通入一個電 脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn) 30 ，即，即 S = 30 。 CA通電通電 C A B BC A 3 4 1 2 以上三種工作方式，三相雙三以上三種工作方式，三相雙三 拍和三相單雙六拍較三相單三拍和三相單雙六拍較三相單三 拍穩(wěn)定，因此較常采用。拍穩(wěn)定，因此較常采用。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī) 實際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為實際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為

26、3度和度和1.5 度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。 為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的， 圖中轉(zhuǎn)子圖中轉(zhuǎn)子40個齒，定子仍是個齒，定子仍是 6個磁極，但每個磁極個磁極，但每個磁極 上也有五個齒。上也有五個齒。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子的齒距等于轉(zhuǎn)子的齒距等于360 / 40=9 ，齒寬，齒寬 、齒槽各、齒槽各4.5 。 為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁為使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊，定子磁 極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相極上的小齒，齒寬和齒槽和轉(zhuǎn)子相 同。同。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 工作原理：假設(shè)是單三拍通電工作方式。工作原理：假設(shè)是單三拍通

27、電工作方式。 （1）A 相通電時，定子相通電時，定子A 相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對相的五個小齒和轉(zhuǎn)子對 齊。此時，齊。此時，B 相和相和 A 相空間差相空間差120120 ，含，含 120/9 = = 齒齒 A 相和相和 C 相差相差240240 ，含，含240240 / / 9 9 = = 個個 齒。所以，齒。所以，A 相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對相的轉(zhuǎn)子、定子的五個小齒對 齊時，齊時，B 相、相、C 相不能對齊，相不能對齊，B相的轉(zhuǎn)子、相的轉(zhuǎn)子、 定子相差定子相差 1/3 1/3 個齒（個齒（3 3 ），），C相的轉(zhuǎn)子、定相的轉(zhuǎn)子、定 子相差子相差2/32/3個齒（個齒（6 6 ）。）。 3 1

28、13 3 2 26 機(jī)器人控制系統(tǒng) 若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖，若工作方式改為三相六拍，則每通一個電脈沖， 轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn) 1.5 。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向仍由相序決定。 同理，同理，C 相通電再轉(zhuǎn)相通電再轉(zhuǎn)3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過相通電后，轉(zhuǎn)子只需轉(zhuǎn)過1/3個個 齒（齒（3 ），使），使 B 相轉(zhuǎn)子、定子對齊。相轉(zhuǎn)子、定子對齊。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)的控制 脈沖分配器脈沖分配器 脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器 功率放大器功率放大器 步進(jìn)步進(jìn) 電動機(jī)電動機(jī) 指令指令 電源電源 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動結(jié)

29、構(gòu)圖 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器、 脈沖分配器和脈沖放大器脈沖分配器和脈沖放大器(也稱功率放大器也稱功率放大器) 三部分組成。三部分組成。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到各脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到各 相繞組的功率放大器上，使電機(jī)按一定方式運(yùn)行，實相繞組的功率放大器上，使電機(jī)按一定方式運(yùn)行，實 現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和定位?，F(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和定位。 傳統(tǒng)電路：門電路傳統(tǒng)電路：門電路+ +觸發(fā)器組成觸發(fā)器組成 集成電路：如集成電路：如CH205(CMOS)CH205(CMOS)三相六拍脈沖分配器三相六拍脈沖分配器 脈沖

30、發(fā)生器是一個脈沖頻率在幾赫到幾十千赫內(nèi)可連脈沖發(fā)生器是一個脈沖頻率在幾赫到幾十千赫內(nèi)可連 續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。最常見的有多諧振蕩器和續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器。最常見的有多諧振蕩器和 單結(jié)晶體管構(gòu)成的張弛振蕩器兩種。單結(jié)晶體管構(gòu)成的張弛振蕩器兩種。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 典型的微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)典型的微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 如下圖所示如下圖所示 計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)需要解 計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)需要解 決的問題：決的問題： 1）脈沖序列的產(chǎn)生）脈沖序列的產(chǎn)生 2）方向速度控制）方向速度控制 3）程序設(shè)計）程序設(shè)計 機(jī)器人控制系統(tǒng) 1、脈沖序列的生成、脈沖序列的生成 脈沖序列如右圖所示脈沖序列如右圖所示 1

31、）脈沖周期的實現(xiàn)）脈沖周期的實現(xiàn) 脈沖周期脈沖周期=通電時間通電時間+斷電時間。斷電時間。 通電時，計算機(jī)輸出高電平使開通電時，計算機(jī)輸出高電平使開 關(guān)閉合；斷電時，計關(guān)閉合；斷電時，計 算機(jī)輸出低電平使開關(guān)斷開。算機(jī)輸出低電平使開關(guān)斷開。 通電和斷電時間的控制，可以用定時器，也可以用軟件延通電和斷電時間的控制，可以用定時器，也可以用軟件延 時。時。 周期決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；占空比決定了功率。周期決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；占空比決定了功率。 2）脈沖高度）脈沖高度 脈沖高度決定于元器件，對脈沖高度決定于元器件，對TTL電平為電平為0-5V，對，對 CMOS電平一般為電平一般為0-10V。常用的接

32、口電路多為。常用的接口電路多為0-5V。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 速度和方向的控制速度和方向的控制 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度決定于繞組的通電頻率。步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度決定于繞組的通電頻率。 單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)速度的方法有兩種：單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)速度的方法有兩種： 1. 軟件延時法軟件延時法 在每次換相之后，調(diào)用一個延時子程序，待在每次換相之后，調(diào)用一個延時子程序，待 延時結(jié)束后，再執(zhí)行換相子程序。周而復(fù)始，延時結(jié)束后，再執(zhí)行換相子程序。周而復(fù)始， 即可發(fā)出一定頻率的步進(jìn)脈沖，使電機(jī)按某即可發(fā)出一定頻率的步進(jìn)脈沖，使電機(jī)按某 一確定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。改變延時的時間長度就可一確定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。改變延時的時間長度就可

33、以改輸出脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。以改輸出脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 2. 定時器延時法定時器延時法 各種單片機(jī)都有數(shù)量不等的片載定時器各種單片機(jī)都有數(shù)量不等的片載定時器/計數(shù)計數(shù) 器。加載某個定時器，當(dāng)定時器溢出時就會器。加載某個定時器，當(dāng)定時器溢出時就會 產(chǎn)生中斷信號，中止主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)產(chǎn)生中斷信號，中止主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí) 行中斷服務(wù)程序，這樣可以產(chǎn)生硬件延時的行中斷服務(wù)程序，這樣可以產(chǎn)生硬件延時的 效果。如將電機(jī)換相子程序放在定時器中斷效果。如將電機(jī)換相子程序放在定時器中斷 服務(wù)程序之中，則定時器每中斷一次，電機(jī)服務(wù)程序之中，則定時器每中斷一次，電機(jī)

34、就換相一次，從而實現(xiàn)對電機(jī)的速度控制。就換相一次，從而實現(xiàn)對電機(jī)的速度控制。 方向控制方向控制:改變通電順序即可改變通電順序即可,如單三拍如單三拍ABC為正為正 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),CBA為反轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn) 機(jī)器人控制系統(tǒng) PCx=1導(dǎo)通，對應(yīng)導(dǎo)通，對應(yīng) 繞組通電繞組通電 PCx=0截止，對截止，對 應(yīng)繞組斷電應(yīng)繞組斷電 （與前面表中所述相（與前面表中所述相 同）同） 有光隔的步進(jìn)電機(jī)控制電路有光隔的步進(jìn)電機(jī)控制電路 機(jī)器人控制系統(tǒng) 無刷電機(jī)的控制無刷電機(jī)的控制 無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定定子子 永永磁磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 定轉(zhuǎn)子實際結(jié)

35、構(gòu)定轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 位位 置置 檢檢 測測 器器 逆逆 變變 器器 電電 機(jī)機(jī) 本本 體體 控控 制制 信信 號號 控控 制制 器器 輸輸 出出 直直 流流 電電 源源 內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部控制結(jié)構(gòu) 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=0 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器：傳感器：H1=1 H2=1 H3=0 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=0 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：C 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器：傳感器：H1=0 H2=0 H3=1

36、導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：A 機(jī)器人控制系統(tǒng) 傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1 導(dǎo)通相：導(dǎo)通相：B 機(jī)器人控制系統(tǒng) 2傳感器信號的接入傳感器信號的接入 1、開關(guān)量、數(shù)字量傳、開關(guān)量、數(shù)字量傳 感器的接入感器的接入 很多傳感器輸出很多傳感器輸出 為開關(guān)量和數(shù)字為開關(guān)量和數(shù)字 量，需要專門的量，需要專門的 接口電路接入控接口電路接入控 制器。目前主要制器。目前主要 用光電隔離技術(shù)。用光電隔離技術(shù)。 三極管三極管 光電隔離的器件是光電三極管，光電隔離的器件是光電三極管， 也稱為光電耦合器也稱為光電耦合器 4N33光電耦合器光電耦合器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 2、模擬量傳感器的接入、模擬量傳感器的接入 下圖

37、為模擬量傳感器接入的框圖下圖為模擬量傳感器接入的框圖 傳感器傳感器 信號處理信號處理 放大電路放大電路 采樣保采樣保 持電路持電路 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 電路電路 中心控中心控 制器制器 接口電路接口電路 機(jī)器人控制系統(tǒng) 1、開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出 采用光電隔離技術(shù)輸出，輸出形式采用光電隔離技術(shù)輸出，輸出形式 有：三極管、可控硅、固態(tài)繼電器、有：三極管、可控硅、固態(tài)繼電器、 繼電器、大功率場效應(yīng)管。繼電器、大功率場效應(yīng)管。 3控制信號的輸出控制信號的輸出 機(jī)器人控制系統(tǒng) 光電光電 隔離器隔離器 為高時繼為高時繼 電器閉合電器閉合 繼電器繼電器 線圈線圈 保護(hù)保護(hù) 二極管二極管 電磁式繼電器的工作原理和

38、應(yīng)用電路如圖所示。電磁式繼電器的工作原理和應(yīng)用電路如圖所示。 驅(qū)動電流一般為驅(qū)動電流一般為100mA左右，直流電壓左右，直流電壓5V、9V、 12V、24V等等 選用時應(yīng)考慮：選用時應(yīng)考慮： 1、額定工作電壓、電流、額定工作電壓、電流 2、接點(diǎn)負(fù)荷、接點(diǎn)負(fù)荷 3、接點(diǎn)、接點(diǎn) 的數(shù)量與種類動斷或動開）的數(shù)量與種類動斷或動開） 4、體積、封裝、工作、體積、封裝、工作 環(huán)境、延遲時間等環(huán)境、延遲時間等 繼電器輸出繼電器輸出 機(jī)器人控制系統(tǒng) 光電光電 隔離器隔離器 閉合時閉合時 負(fù)載工作負(fù)載工作 三極管三極管 保護(hù)保護(hù) 二極管二極管 固態(tài)繼電器的工作原理固態(tài)繼電器的工作原理:當(dāng)當(dāng)SW閉合時閉合時, 光

39、電隔離導(dǎo)通光電隔離導(dǎo)通,三極管導(dǎo)通負(fù)載接通三極管導(dǎo)通負(fù)載接通. 固態(tài)繼電器輸出固態(tài)繼電器輸出:工作原理工作原理 機(jī)器人控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 繞組繞組C 保護(hù)保護(hù) 二極管二極管 直流直流SSR主要用于直流負(fù)載的場合主要用于直流負(fù)載的場合 輸出工作電壓輸出工作電壓30-180V（5V開始工作）開始工作） SSR控制步進(jìn)電機(jī)（上圖）。控制步進(jìn)電機(jī)（上圖）。PCx=1 時導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電。時導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電。 一個固態(tài)繼電器應(yīng)用的例子一個固態(tài)繼電器應(yīng)用的例子. 機(jī)器人控制系統(tǒng) 場效應(yīng)管場效應(yīng)管 開關(guān)開關(guān) 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 繞組繞組A 光電光電 隔離器隔離器 保護(hù)保護(hù) 二極管二極管 浪涌電壓保

40、浪涌電壓保 護(hù)電路，保護(hù)電路，保 護(hù)場效應(yīng)管護(hù)場效應(yīng)管 大功率場效應(yīng)管輸出大功率場效應(yīng)管輸出 場效應(yīng)管型號為場效應(yīng)管型號為IRF640，PCx為為1時對應(yīng)繞組導(dǎo)時對應(yīng)繞組導(dǎo) 通，為通，為0時對應(yīng)繞組關(guān)閉。三個繞組按規(guī)律交替時對應(yīng)繞組關(guān)閉。三個繞組按規(guī)律交替 導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)才會旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)才會旋轉(zhuǎn)。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 第三講第三講 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計、制機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計、制 作、調(diào)試作、調(diào)試 1、機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計 1、控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟、控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 A、了解控制系統(tǒng)的任務(wù)和要求，確定控制系統(tǒng)、了解控制系統(tǒng)的任務(wù)和要求，確定控制系統(tǒng) 應(yīng)具有的功能。應(yīng)具有的功能。 B、收集資料、了解掌握相關(guān)技術(shù)和知識。、收集資料、了解掌握相關(guān)技術(shù)和知識。 C、總體方案設(shè)計、總體方案設(shè)計 D、硬件選型及相關(guān)電路的設(shè)計、硬件選型