機器人控制系統(tǒng)PPT教案

1、會計學1機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)關節(jié)機器人第1頁/共100頁水下機器人第2頁/共100頁仿生機器人第3頁/共100頁第4頁/共100頁第5頁/共100頁擬人機器人第6頁/共100頁擬人機器人第7頁/共100頁并聯(lián)機器人第8頁/共100頁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動電路驅動電路執(zhí)行機構執(zhí)行機構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第9頁/共100頁第10頁/共100頁第11頁/共100頁第12頁/共100頁第13頁/共100頁單片機單片機特點特點:結構簡單結構簡單,經(jīng)經(jīng)濟性好濟性好應用：簡單結構應用：簡單結構的機器人控制的機器人控制第14頁/

2、共100頁特點特點:抗干擾能力較抗干擾能力較強、運算速較快、強、運算速較快、能適應多種操作系能適應多種操作系統(tǒng)。統(tǒng)。應用：較復雜的機器人應用：較復雜的機器人須較強運算能力的機器須較強運算能力的機器人。人。第15頁/共100頁特點：運算速度特點：運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。應用：結構較復應用：結構較復雜，實時性要求雜，實時性要求較高的機器人較高的機器人第16頁/共100頁獨立式運動控制卡獨立式運動控制卡英國翠歐運動控制卡英國翠歐運動控制卡國產(chǎn)國產(chǎn)MPC05運動控制卡運動控制卡第17頁/共100頁基于基于PC的

3、運動控制卡的運動控制卡PCI總線的運動控制卡總線的運動控制卡(國國產(chǎn)產(chǎn)PCI208)104總線的運動控制卡總線的運動控制卡(美國美國PMAC)第18頁/共100頁第19頁/共100頁第20頁/共100頁紅外光電傳感器紅外光電傳感器光纖傳感器光纖傳感器第21頁/共100頁接觸式的行程開接觸式的行程開關關第22頁/共100頁非接觸式的開關有電容和電感等形式上圖是非接觸式的開關有電容和電感等形式上圖是一種電容式接近開關一種電容式接近開關第23頁/共100頁右圖為用于測量電機右圖為用于測量電機轉速和角位移的增量轉速和角位移的增量式編碼器式編碼器第24頁/共100頁壓力傳感器壓力傳感器測力傳感器測力傳感

4、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第25頁/共100頁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器人定位超聲傳感器主要用于測距和機器人定位.第26頁/共100頁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行監(jiān)測防止由于電源的變化引起的機器人故障電源進行監(jiān)測防止由于電源的變化引起的機器人故障,可根據(jù)電源參數(shù)的變化判斷機器人有無故障可根據(jù)電源參數(shù)的變化判斷機器人有無故障.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

5、第27頁/共100頁電壓傳感器電壓傳感器第28頁/共100頁第29頁/共100頁瑞士瑞士MAX公司的閉環(huán)驅動器公司的閉環(huán)驅動器第30頁/共100頁自制的驅動信號接口板自制的驅動信號接口板第31頁/共100頁自制的場效應管驅動器自制的場效應管驅動器(開環(huán)開環(huán))第32頁/共100頁大功率大功率三極管三極管大功率大功率場效應場效應管管固態(tài)繼固態(tài)繼電器電器可控硅可控硅第33頁/共100頁第34頁/共100頁交流伺服電機交流伺服電機直流伺服電機直流伺服電機第35頁/共100頁步進電機步進電機無刷電機無刷電機第36頁/共100頁第37頁/共100頁鋰電池鋰電池:體積小體積小壽命長壽命長,放電平放電平穩(wěn)穩(wěn)鉛

6、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:體積較體積較小小小小,壽命較長壽命較長,放放電平穩(wěn)電平穩(wěn)第38頁/共100頁開關電源開關電源: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,效率低效率低第39頁/共100頁第40頁/共100頁第41頁/共100頁第42頁/共100頁第43頁/共100頁直流電機調(diào)速圖示直流電機調(diào)速圖示第44頁/共100頁速度和占空比之間的關系速度和占空比之間的關系第45頁/共100頁電機控制示意圖。電機控制示意圖。第46頁/共100頁 控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)運轉運轉狀態(tài)狀態(tài)開關狀態(tài)開關狀態(tài)PA1

7、PA0SW1 SW2 SW3 SW410正轉正轉100101反轉反轉011011剎車剎車010100滑行滑行0000雙向控制電動機工作狀態(tài)真值表雙向控制電動機工作狀態(tài)真值表 PA0、PA1為為0時，時，SW1、SW3才有可能導通才有可能導通 SWx狀態(tài)：狀態(tài)：PA0、1為為1時時導通，為導通，為0時截止時截止 SWx用的是場效應管用的是場效應管PB0-PB7：設置脈沖寬度，：設置脈沖寬度， 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)緩沖器電機控制過程實例電機控制過程實例第47頁/共100頁開環(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

8、組成： （1）占空比）占空比D的的 設定設定 1）用電位器調(diào)節(jié)、）用電位器調(diào)節(jié)、2）用撥碼開關、）用撥碼開關、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）驅動器）驅動器 TTL放大電路放大電路 （4）電子開關）電子開關 用晶體管、場效應管、可控硅、繼電器用晶體管、場效應管、可控硅、繼電器 （5）電動機）電動機直流電機調(diào)速系統(tǒng)結構（開環(huán)）直流電機調(diào)速系統(tǒng)結構（開環(huán)）第48頁/共100頁第49頁/共100頁 為了提高電動機脈沖為了提高電動機脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度，寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度，通常采用閉環(huán)脈沖寬度通常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)

9、是在開環(huán)系閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上增加了電動統(tǒng)的基礎上增加了電動機的速度檢測回路，意機的速度檢測回路，意在將檢測到的速度與給在將檢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）進行調(diào)節(jié)）進行調(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)速速示意圖第50頁/共100頁機理機理： 步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號 轉換成線位移或角位移的電機。每來一個轉換成線位移或角位移的電機。每來一個 電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移 動一小段距離。動一小段距離。 特點：特點

10、： (1)給一個脈沖，轉一個步距角。給一個脈沖，轉一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速?？刂泼}沖頻率，可控制電機轉速。 (3)改變脈沖順序，改變轉動方向。改變脈沖順序，改變轉動方向。第51頁/共100頁通常按勵磁方式分為三大類：通常按勵磁方式分為三大類：以反應式為例說明步進電機的結構和原理以反應式為例說明步進電機的結構和原理第52頁/共100頁反應式步進電機的結構反應式步進電機的結構第53頁/共100頁 (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

11、： A 相相 C 相相 B 相相 第54頁/共100頁三相單三拍的特點：三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過）每來一個電脈沖，轉子轉過 30 。此。此角稱為步距角，用角稱為步距角，用 S表示。表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電）轉子的旋轉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向。的順序，改變通電順序即可改變轉向。第55頁/共100頁（3）工作過程）工作過程化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁化，吸引轉子，使轉子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。路的磁阻最小，使轉、定子的齒對齊停止轉動。A 相通電，相通電，A 方向的磁方向的磁通

12、經(jīng)轉子形成閉合回通經(jīng)轉子形成閉合回路。若轉子和磁場軸路。若轉子和磁場軸線方向原有一定角度，線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，則在磁場的作用下，轉子被磁轉子被磁A A 相通電使轉子相通電使轉子1 1、3 3齒和齒和 AA 對齊。對齊。CABBCA3412第56頁/共100頁CABBCA3412B相通電，轉子相通電，轉子2、4齒齒和和B相軸線對齊，相對相軸線對齊，相對A相通電位置轉相通電位置轉30 ；1C342CABBAC相通電再轉相通電再轉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

13、個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。第57頁/共100頁二、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 共共六拍。六拍。工作過程：工作過程：A相通電，相通電，轉子轉子1 1、3 3齒和齒和A相對齊。相對齊。CABBCA3412第58頁/共100頁所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉子轉了通電，轉子轉了15。（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 轉子順時針方向轉動。轉子順時針方向轉動。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、

14、3齒有拉力。齒有拉力。CABBCA3412第59頁/共100頁總之，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 。CABBCA3412B相通電，相通電，轉子轉子2、4齒和齒和B相對齊，又轉了相對齊，又轉了15 。第60頁/共100頁三相繞組的通電順序為：三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通電通電CABBCA3412CABBCA3412BC通電通電第61頁/共100頁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，轉子也是轉脈沖，轉子也是轉30 ，即，即

15、 S = 30 。CA通電通電CABBCA3412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。第62頁/共100頁實際采用的步進電機的步距角多為實際采用的步進電機的步距角多為3度和度和1.5 度，步距角越小，機加工的精度越高。度，步距角越小，機加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉子都做成多齒的為產(chǎn)生小步距角，定、轉子都做成多齒的，圖中轉子，圖中轉子40個齒，定子仍是個齒，定子仍是 6個磁極，但每個個磁極，但每個磁極上也有五個齒。磁極上也有五個齒。第63頁/共100頁轉子的齒距轉子的齒距等于

16、等于360 / 40=9 ，齒寬，齒寬、齒槽各、齒槽各4.5 。 為使轉、定子的齒對齊，定子磁為使轉、定子的齒對齊，定子磁極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子極上的小齒，齒寬和齒槽和轉子相同。相同。第64頁/共100頁工作原理：工作原理：假設是單三拍通電工作方式。假設是單三拍通電工作方式。（1）A 相通電時，定子相通電時，定子A 相的五個小齒和轉子對相的五個小齒和轉子對齊。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 相的轉子、定子的五

17、個小齒相的轉子、定子的五個小齒對齊時，對齊時，B 相、相、C 相不能對齊，相不能對齊，B相的轉相的轉子、定子相差子、定子相差 1/3 1/3 個齒（個齒（3 3 ），），C相的轉相的轉子、定子相差子、定子相差2/32/3個齒（個齒（6 6 ）。）。31133226第65頁/共100頁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，轉子只轉轉子只轉 1.5 。步進電機的轉動方向仍由相序決定。步進電機的轉動方向仍由相序決定。同理，同理，C 相通電再轉相通電再轉3 （2）A 相斷電、相斷電、B 相通電后，轉子只需轉過相通電后，轉子只需轉過1/3個個 齒（齒（3 ）

18、，使），使 B 相轉子、定子對齊。相轉子、定子對齊。第66頁/共100頁 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 步進步進 電動機電動機 指令指令 電源電源 步進電機驅動結構圖步進電機驅動結構圖步進電動機的驅動電源主要由脈沖發(fā)生器、步進電動機的驅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。第67頁/共100頁脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關系加到各脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關系加到各相繞組的功率放大器上，使電機按一定方式運行，實相繞組的功率放大器上，使電機按一定方式運行，實

19、現(xiàn)正、反轉和定位?，F(xiàn)正、反轉和定位。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晶體管構成的張弛振蕩器兩種。單結晶體管構成的張弛振蕩器兩種。第68頁/共100頁典型的典型的微機控制步進電機微機控制步進電機系統(tǒng)系統(tǒng)如下圖所示如下圖所示 計算機控制步進電機需要解決計算機控制步進電機需要解決的問題：

20、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）程序設計）程序設計第69頁/共100頁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）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。 通電時通電時，計算機輸出高電平使開，計算機輸出高電平使開 關閉合；關閉合；斷電時斷電時，計，計算機輸出低電平使開關斷開。算機輸出低電平使開關斷開。 通電和斷電時間的控制通電和斷電時間的控制，可以用定時器，也可以用軟件延，可以用定時器，也可以用軟件延時。時。 周期決定了步進電機的轉速；占空比決定了功率周期決定了步

21、進電機的轉速；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。常用的接口電路多為常用的接口電路多為0-5V。第70頁/共100頁步進電動機的運行速度決定于繞組的通電頻率。步進電動機的運行速度決定于繞組的通電頻率。單片機控制步進電動機速度的方法有兩種：單片機控制步進電動機速度的方法有兩種：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，待延時結束后，再執(zhí)行換相子程序。周而復始延時結束后，再執(zhí)行換相子程序。周而復始，即可發(fā)出一定頻

22、率的步進脈沖，使電機按，即可發(fā)出一定頻率的步進脈沖，使電機按某一確定轉速運轉。改變延時的時間長度就某一確定轉速運轉。改變延時的時間長度就可以改輸出脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)電機的轉可以改輸出脈沖的頻率，從而調(diào)節(jié)電機的轉速。速。第71頁/共100頁2. 定時器延時法定時器延時法各種單片機都有數(shù)量不等的片載定時器各種單片機都有數(shù)量不等的片載定時器/計數(shù)計數(shù)器。加載某個定時器，當定時器溢出時就會器。加載某個定時器，當定時器溢出時就會產(chǎn)生中斷信號，中止主程序的執(zhí)行，轉而執(zhí)產(chǎn)生中斷信號，中止主程序的執(zhí)行，轉而執(zhí)行中斷服務程序，這樣可以產(chǎn)生硬件延時的行中斷服務程序，這樣可以產(chǎn)生硬件延時的效果。如將電機換相子程序

23、放在定時器中斷效果。如將電機換相子程序放在定時器中斷服務程序之中，則定時器每中斷一次，電機服務程序之中，則定時器每中斷一次，電機就換相一次，從而實現(xiàn)對電機的速度控制。就換相一次，從而實現(xiàn)對電機的速度控制。 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為正為正轉轉,CBA為反轉為反轉第72頁/共100頁有光隔的步進電機控制電路有光隔的步進電機控制電路第73頁/共100頁 定定子子 永永磁磁轉轉子子 傳傳感感器器定定子子 傳傳感感器器轉轉子子 (a) 結構示意圖結構示意圖 (b) 定轉子實際結構定轉子實際結構 第74頁/共100頁 位位 置置 檢檢 測測 器器 逆逆

24、變變 器器 電電 機機 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)部控制結構內(nèi)部控制結構第75頁/共100頁傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=1導通相：導通相：B第76頁/共100頁傳感器：傳感器：H1=1 H2=0 H3=0導通相：導通相：B第77頁/共100頁傳感器：傳感器：H1=1 H2=1 H3=0導通相：導通相：C第78頁/共100頁傳感器：傳感器：H1=0 H2=1 H3=0導通相：導通相：C第79頁/共100頁傳感器：傳感器：H1=0 H2=0 H3=1導通相：導通相：A第80頁/共100頁傳感器：傳感器：H1=1 H2=

25、0 H3=1導通相：導通相：B第81頁/共100頁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第82頁/共100頁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轉換轉換電路電路中心控中心控制器制器接口電路接口電路第83頁/共100頁第84頁/共100頁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保護二極管二極管電磁式繼電器的工作原理和應用電路如圖所示。電磁式繼電器的工作原理和應用電路如圖所示。 驅動電流一般為驅動電流一般為100mA左右，直流電壓左右，

26、直流電壓5V、9V、12V、24V等等 選用時應考慮：選用時應考慮： 1、額定工作電壓、電流、額定工作電壓、電流 2、接點負荷、接點負荷 3、接點、接點的數(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第85頁/共100頁光電光電隔離器隔離器閉合時閉合時負載工作負載工作三極管三極管保護保護二極管二極管固態(tài)繼電器的工作原理固態(tài)繼電器的工作原理:當當SW閉合時閉合時,光電隔離導通光電隔離導通,三極管導通負載接通三極管導通負載接通.固態(tài)繼電器輸出固態(tài)繼電器輸出:工作原理工作原理第86頁/共100頁步進電機步進電機繞組繞組C保護保護二