第3章+驱动方法课件

第三章驱动方法——让机器人动起来驱动方式简介驱动器是机器人动力源，动力直接或经压力管路、齿轮箱或其他方法传送至运动执行机构。本章讨论机器人驱动器的选型和设计方法。目前主要有五种驱动方式：液压驱动、气压驱动、闭环伺服电机驱动、舵机驱动和步进电机驱动。前二者为流体动力驱动，后三者为电驱动。液压和气压驱动分别适用于重工业和轻工业机器人。闭环伺服电机驱动又分为直流和交流伺服电机，带有反馈传感器，适用于中、轻负载连续旋转的位移、速度等精密控制。主要介绍直流电机驱动。舵机和步进电机都属于开环控制电机，没有反馈传感器；其中舵机适用于轻型负载、360度以内角度控制；步进电机适用于轻型负载和中型负载、连续旋转位移精确控制。第一节液压驱动第二节气压驱动第三节舵机驱动第四节步进电机驱动第五节直流伺服电机驱动Q3.1在你学习、生活接触到和了解的系统中，举例说明哪些采用了以上五种驱动方式之一？为什么采用该方式？第一节液压驱动液压驱动以油泵泵出的高压油作为工作介质。通过电磁阀或电液伺服阀切换油路方向，节流阀和调压阀调整流量和压力以实现速度控制和出力控制。驱动器可以是直线的（液压油缸）或者是旋转的（液压油马达）。驱动器控制可以是闭环或者是开环的。一、液压泵液压泵通过电机旋转带动旋转，从油箱吸油再高压泵出。液压泵为液压驱动器提供液压油动力；液压泵较常见的有单联和双联式，分别输出一路和两路动力油。Q3.2图中单泵和双泵中的孔哪个是吸油口，哪个是出油口？为什么？二、直线液压缸无论是直线液压缸或旋转液压马达，它们的工作原理都是基于高压油对活塞或对叶片的作用。液压油是经控制阀被送到液压缸的一端的，如图。用电磁阀控制的直线液压缸是最简单和最便宜的开环液压驱动装置。方向控制：小出力用电磁阀、大出力电液伺服阀。流量控制：用节流阀调节流量，可以实现速度控制。压力控制：在油路上加装调压阀，可以提供稳定的压强（该值小于油泵压强）三、油马达图中是一种旋转式液压执行元件（油马达）。它的壳体由铝合金制成，转子是钢制的。密封圈和防尘圈分别用来防止油的外泄和保护轴承。在电液阀的控制下，液压油经进油口进入，并作用于固定在转子上的叶片上，使转子转动。四、液压阀液压阀在油泵和油缸或油马达之间的动力油路上，起到对油缸或油马达电控换向的作用。五、典型液压系统图MQ3.3这个液压系统如果没有调压阀行不行？把调压阀设在进油路上行吗，请说明理由？第二节气压驱动气动原理很像液压驱动，但它的工作介质是高压空气；在工厂环境下，气压驱动是最简单的驱动方式。动力源：由高质量的空气压缩机提供。这个气源可经过一个公用的多路接头为所有的气动模块所共享。安装在多路接头上的电磁阀控制通向各个气动元件的气流量。电磁阀控制：一般由可编程控制器完成。这类控制器通常是用微处理器来编程，以等效于继电器系统。优点：（1）气动系统简单、轻便、便宜、安全；（2）操作简单、易于编程；（3）易于模块化。缺点：（1）实现高精度很困难；（2）工作压力低；（3）易生锈、要排水。空压机储气罐气缸Q3.4相对于液压系统，气动系统为什么容易生锈？为什么多了个储气罐？说明理由。提示：介质、动力源和负载差异实验演练一

机、电、计算机集成的全关节机械手操作1、操作要点：（1）0~5通道分别操控腰关节、肩关节、肘关节、摆动腕、旋转腕、指关节；（2）不同的脉宽值控制不同的转角；（3）不可以直接拖动滑块。2、操作目标：（1）捡起工件放到指定位置；（2）总分2分，操作失误1次扣1分，其余以操作完成时间长短评价。目的：体验机械手设计要点和改进方向Q3.5请画出系统方框图（包括机械、电机、电子、电源和计算机几大块及其连接关系），并简要描述各部分的核心用途。2minQ3.6这个机械手在机械结构、电器电子和计算机软件方面分别存在什么问题？2minQ3.7针对存在的某些问题，你能否提出自己的改进方案？2minQ3.8如果要你小组设计制作该机械手，请提出你的实施方案（包括研究思路、经费预算、人员分工和对外协作、阶段实施目标和时间安排），以书面形式提交讨论。5min要求：每组选一题作答，各组回答的问题和答案不可都雷同！！！第三节舵机驱动1、什么是舵机舵机是一种俗称，其实是一种脉宽控制角度的直流电机，一般不具有反馈，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的开环控制系统。目前在各种航模（飞机模型、潜艇模型、汽车模型等）和小型机器人中已经使用得比较普遍。在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机的主要指标：额定扭矩和堵转扭矩（kg.cm），脉宽当量（us/度），转角范围（60度、90度、150度、180度、360度）、自重（g）、齿轮和输出轴材料（全金属齿、全塑料齿、金属齿+塑料齿）。2、舵机的控制原理舵机引线：一般含三根，分别是电源线、控制信号、地线，不同厂家引线颜色有所不同。舵机是使用周期为14~20ms的PWM信号控制输出角度的，PWM信号每周期的高电平持续时间（脉宽）决定着该周期的舵机角度。PWN控制信号进入舵机信号调制芯片，获得脉宽对应的直流偏置电压；将获得的直流偏置电压与舵机电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。电机旋转时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转到指定角度，使得电压差为0，电机停止转动。PWM周期PWM周期PWM脉宽3、舵机的控制方法脉宽控制角度：舵机的控制信号一般是一个周期20ms左右的时基信号，每周期的高电平部分一般持续时间0.5ms~2.5ms。以180度角度伺服为例，脉宽对应控制关系：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；工作电压：小型舵机的一般为4.8V或6V，转速：较低，一般为0.22秒/60度或0.18秒/60度，假如更改角度控制脉冲的脉宽太快，舵机可能反应不过来。要渐变！！！4、舵机控制实现方案（1）单片机直接控制舵机方案：适应性：多利用定时器中断来完成控制，51系列只有两个定时器，可控制8舵机，同时控制更多舵机需要更多定时器。定时器中断控制方法：设PWM周期为T，三个周期内的脉宽分别为t1,t2,t3；单片机控制端口P1.1，定时器0采用方式1（全16位定时器），则控制方法如下。端口置高电平，定时t1并启动中断；每次进入定时器中断服务程序，端口电平取反，并逐次修改定时为T-t1、t2、T-t2、t3、T-t3。t2t3t1TT与单片机共地电源光隔或功放舵机单片机控制端口舵机的控制连接：直连方案：左图，端口控制电压稳定且不被拉低时用；隔离方案：右图，端口电压被拉低太多或示波器观察到端口电压抖动不稳时用。注：舵机控制电路也是CMOS电路，原则上是可以直连的。但由于单片机端口驱动能力与舵机控制电路不匹配，则需要隔离。与单片机共地电源单片机控制端口舵机（2）MCU+专用舵机驱动器控制方案：适应性：多舵机控制（例如多关节机械臂）。专用舵机驱动器：其连线和控制方法要具体参考厂家的数据手册。例如AVR有32路舵机驱动器，很适合做复杂的多关节机器人控制；有些多路舵机驱动器成本并不高，如淘宝上的miniUSB版32路舵机控制器只有150左右包邮。

5、舵机驱动的应用场合：

（1）高档遥控仿真车，至少得包括左转和右转功能，高精度的角度控制

（2）多自由度机器人设计、工业机器人控制模型

（3）多路伺服航模控制,电动遥控飞机,油动遥控飞机,航海模型等。

第四节步进电机驱动步进电机也是一种开环数字伺服电机，和舵机的不同在于舵机控制的是绝对转角（脉宽对应转角）且转角范围受限，而步进电机控制的是相对的步进角（脉冲相序变化控制转角步进）且无转角限制。1、什么是步进电机这种电机能在电脉冲控制下以很小的步距增量运动，其转动精度一般高于舵机，适合做较高精度、中小型负载的快速定位。例如：计算机的打印机和磁盘驱动器常用步进电机实现打印头和磁头的定位。在小的机器人上，有时也用步进电机作为主驱动电机。可以用编码器或电位器提供精确的位置反馈，所以步进电机也可用于闭环控制。步进电机转子有两组磁极。每组磁极就好像是一个齿轮，一组齿是转于的N极，另一组是S极，事实上这是一个多齿或多极的磁铁。在转子上有奇数对磁极，而在定子上有偶数对绕组磁极，所以他们永远不能同时对准。如果A、C相通电，则A相产生N极，C相产生S极(a)；然后将A、C相断开，B、D相通电，则B相产生N极，D相产生S极，使得转子顺时针方向转动半齿(b)；继续将A、C相反向通电，则A相产生S极，C相产生N极，转子顺时针方向又转动半齿(c)；将A、C相断开，B、D相接通反向电流，则B相产生S极，D相产生N极，转子沿顺时针方向再转动半齿(d)。按上述相序给予步进电动机一定的脉冲序列，则电机将按所给定的脉冲数转过相应的齿数；相序反转可使电机反转；通过改变脉冲频率，可以实现步进电动机的加减速。上述为最简单的两相四拍控制逻辑，其步进角为30度，为提高控制精度，可采用加多定子和转子单对磁极上的齿数，两相常见步进角有0.9/1.8度。步进电机驱动器的作用主要是实现上述相序逻辑（环形分配器），并进行功率放大。常见的小功率芯片如L298N等，网络资料很多，请大家自行参阅。模块化的步进电机驱动器2、步进电机驱动器国产三轴步进电机驱动器，桌面雕刻机用，200国产小功率单步进电机驱动器，5工业级美国IM483二相步进电机驱动器（3A，256细分），适合两相四线和两相六线步进电机，185（8成），亮点：高细分，全铜散热底座,12~48V，10MHZ高速细分是把方波脉冲变为阶梯波，从而进一步提高运动精度和平稳度的方法。国产驱动器一般只能做到8细分，细分技术明显不成熟。相A-（绿）相A+（红）相B-（黄）相B+（蓝）40VDC电源-+电流调节电阻控制接口脉冲方向5V连线细分数每转脉冲数（P/r）S1S2S3S4读数二进制2400ONONONON00004800OFFONONON000181600ONOFFONON0010163200OFFOFFONON0011326400ONONOFFON01006412800OFFONOFFON010112825600ONOFFOFFON011025651200OFFOFFOFFON0111十进制51000ONONONOFF1000102000OFFONONOFF1001255000ONOFFONOFF10105010000OFFOFFONOFF101112525000ONONOFFOFF110025050000OFFONOFFOFF1101细分选择如果使用开环控制，都需考虑失步问题，即保证额定力矩大于最大负载力矩，步进电机在偶然失步后失去定位精度，而舵机偶然失步后仍可回位；步进电机即使采用细分和高频脉冲，其转位过程仍是抖变的，舵机转位过程理论上是连续的，但转位终点实际有抖动；步进电机的主要优势在于快速定位而不是在定位点附近反复调校抖动。步进电机可连续转动而舵机不能，步进电机调速只需改变脉冲频率，而舵机调速必须事先复位（原则上精确调速很困难）步进电机较重，且控制环节较复杂，舵机轻而容易控制。一般而言，步进电机定位精度和耐用性远远高于舵机。3、步进电机与舵机的对比分析第五节直流伺服电机驱动直流电机连续旋转，本身没有位置控制能力；为实现位置和速度精确控制，向直流电机加入编码器实现位置和速度反馈控制，构成闭环伺服系统，即所谓直流伺服电机。电力主要使用功率放大器来供给，调速、换向和启停主要使用单片机、继电器和PLC控制。直流伺服电机的优点：（1）可达到很大的力矩/重量比，远高于步进电机；除了在很大功率情况下外，与液压驱动不相上下。（2）能达到很高位置精度与速度精度，无需附加减速传动，可靠性高。（3）与步进电机相比较，加速迅速、运转连续且平稳。直流伺服电机的缺点：成本和控制难度均高于普通电机。小型独立机器人的关节驱动部分大多选用伺服电机，基于伺服电机的驱动系统设计包括伺服电机的选定和传动比的确定、控制电路的设计和电器元配件选型等。一、直流伺服电机简介1、直流伺服电机的基本结构（未标反馈传感器）电磁式直流伺服电机1—磁极和励磁绕组；2—电枢；3—换向器；4—电刷永磁式直流伺服电机1—磁极(永磁铁)；2—电枢；3—换向器；4—电刷电磁式直流伺服电机的定子和转子磁场分别由励磁绕组和电枢绕组产生；两绕组往往并接，因此也称为并励。永磁式直流伺服电机的磁场由永磁体（永久磁铁）产生；定子与转子没有电的联系，定子磁场不依靠电枢电压产生，因此也称为他励。2、直流伺服电机的主要技术指标主要技术指标包括表中示例的SZ系列伺服电机部分参数，一般还会给出堵转转矩、空载转速等机械参数或机械特性图。此外还有些厂商会注明额定效率与额定温升。

额定效率=输出功率/输入功率

额定温升指电动机的温度允许超过环境温度的最高允许值；电机铭牌上的温升是指电动机绕组的最高温升。对于小功率电机，通常只要电机轴负载转矩不长时间超过额定转矩，就不会因发热而烧毁，因此常无需标明额定温升。型号励磁方式额定电压（V）额定电流（A）额定功率（W）额定转矩（Nm）额定转速（r/min）36SZ01并励24≤0.851.7×10-23000±10%45SZ60他励48≤18.5244.3×10-24200±10%55SZ01并励24≤1.9206.6×10-23000±10%70SZ58并励110≤2.01100.186000±10%90SZ01并励110≤0.8460.301500±10%110SZ51并励110≤31851.201500±10%110SZ59并励96≤6.64001.303000±10%二、直流伺服电机的选择1、选择电机的考虑因素功率初选：驱动负载所需的峰值功率和平均功率。发热校核：电机长期工作发热量是否超出热定额。转矩过载校核：电机最大负载力矩是否超出电机输出转矩的最大允许值（过载转矩）。2、直流伺服电机的功率初选（1）按负载峰值估算电机平均功率

式中——按负载峰值估算的电机平均功率，W；——负载峰值力矩，N·m；——负载峰值转速，rad／s；——传动装置的效率，初算取=0.7~0.9。系数1.5~2.5为经验数据，它是考虑到初步估算负载力矩有可能取得不全面或不精确，以及电机有一部分功率要消耗在电机转子上而取的一个系数。（2）按交变载荷估算电机平均功率式中——按交变载荷估算的电机平均功率，W；——负载均方根力矩，N·m；——负载均方根转速，rad／s；其它参数——与（1）同。（3）初选电机如果载荷功率是快速突变的，即载荷峰值功率与平均功率相差很大且变化时间很短，则电机平均功率估算值；若载荷是连续平稳交变的，则取更合理。大部分情况下取后者。按电机额定功率选取电机型号，满足下式：初选电机后，一系列技术数据，如额定转矩、额定转速、额定电压、额定电流、转子转动惯量等，均可由产品目录直接查得或经过计算求得。Q3.9机械臂和人形机器人的关节电机，其额定功率应按负载峰值功率还是均方根功率估算？机器人小车