《机器人技术应用》 课件第5章 机器人机械结构与电机

第5章机器人机械结构与电机教学目标《机器人技术应用》1.了解机器人常用的机械零件和机械结构；2.掌握直流电机、步进电机、伺服电机的结构、工作原理和应用方法。目录页PAGEOFCONTENT5.1机器人骨骼-机械结构5.2机器人电机

5.1机器人骨骼-机械结构5.1.1机器人机械结构的组成很多人可能认为机器人具有人的形态、能够模仿人类说话、行走等。但事实上，除了部分场所使用的拟人化服务机器人外，大多数机器人都不具有基本的人类形态。特别是工业生产场所使用的机器人，许多是以机械手的形式存在。

5.1机器人骨骼-机械结构5.1.1

机器人机械结构的组成机器人的形态是通过一系列机械零件与机械结构联接而成的，机械零件与机械结构是构成机器人的骨骼，是机器人技术的基本组成部分，主要包括：1）传动件：如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。2）联接件：如螺栓、销、键、铆钉等。3）缓冲件：如弹簧。4）支撑件：如机座、轴承等。5）联轴器与制动器。5.1机器人骨骼-机械结构1.工业机器人的机械结构工业机器人是一种模拟人的手臂、手腕和手功能的机电一体化装置。能够精确控制所操作物体的位置、位移、速度和加速度，从而完成一系列工业生产作业要求。工业机器人的机械结构包括：1）机械臂（执行结构）2）驱动装置3）传动装置

5.1机器人骨骼-机械结构2.服务机器人的机械结构服务机器人的机械结构形式由工作任务和作业环境决定。按照其本体结构的运动能力，服务机器人分为静止式和移动式两类。静止式服务机器人的机械结构与工业机器人类似，采用多关节臂结构。通常工作于结构化环境，机器人与环境的之间的互动较少，工作任务比较单一，比如汽车加油、医疗保健、残疾人护理等。移动式服务机器人是目前大多数服务机器人所采用的本体结构形式，其移动机构包括：轮式结构、履带式结构、滚筒式结构、爬式结构、脚式行走结构等。5.1机器人骨骼-机械结构5.1.2.机器人的执行机构由许多机械连杆连接而成的机械臂，是工业机器人的执行机构。它本质上是一个仿人手臂的空间开式链机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动。主要由手爪、手腕、手臂、基座四部分组成。1.工业机器人的执行机构5.1机器人骨骼-机械结构1.工业机器人的执行机构1.手爪习惯上又称作末端执行器，是为了实现生产作业，给机器人配置的操作机构。2.手腕联接手爪和手臂的机构，作用是改变手爪的空间方向，将作业载荷传递到手臂。5.1机器人骨骼-机械结构1.工业机器人的执行机构3.手臂联接机身和手腕的部分，由操作的动力关节和4.基座机器人的基础部分，起支承作用．对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，连接杆件等构成。主要作用是改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座。则安装在移动机构上，分为有轨和无轨两种。5.1机器人骨骼-机械结构2.服务机器人的执行机构1.静止式服务机器人执行机构与工业机器人相似，不同点在于末端执行2.移动式服务机器人执行机构包括操作机构和行走机构。操作机构：手、手臂和手腕。器接装不同的机械装置。行走机构：足式、轮式、履带式、蠕动行走方式等。5.1机器人骨骼-机械结构5.1.3.机器人的传动机构1.机器人传动机构的功能传递驱动装置提供的动力和运动，带动执行机构产生运动，以保证末端执行器具有精确的运动位置、姿态和运动速度。5.1机器人骨骼-机械结构2.工业机器人的传动机构工业机器人广泛采用的机械传动机构是减速器，与2）谐波减速器1）RV减速器短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。现在大量应用在关节型工业机器人上的减速器有：通用的减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链此外，工业机器人还采用齿轮传动、带传动、直线运动单元等。5.1机器人骨骼-机械结构2.工业机器人的传动机构1.RV减速器组成：主要由太阳轮、行星轮、转臂、转臂轴承、

用途：适用于高精度机器人传动，主要装置在基座、手臂等承受重负载的位置。RV齿轮、针齿、刚性盘与输出盘等零件组成。特点：回转精度稳定，有较高的疲劳强度和刚度、使用寿命长。5.1机器人骨骼-机械结构2.工业机器人的传动机构2.谐波减速器组成：主要由一个有内齿的刚轮、能径向弹性变形

用途：主要装置在小臂、腕部或手部等轻负载位置。的外齿柔轮、一个装在柔轮内部的波发生器三部分组成。特点：传动比大、传动精度和传动效率高、结构简单、体积小、重量轻、可向密闭空间传递运动。5.1机器人骨骼-机械结构3.服务机器人的传动机构一部分对定位精度和重复定位精度要求比高的服务机器人，其传动机构需要使用谐波减速器或RV减速器，而大部分服务机器人都广泛采用以下传动机构：1）齿轮传动，如直齿轮、斜齿轮、圆锥齿轮、齿轮齿条等2）链传动3）同步带传动4）滚珠丝杆传动5）蜗轮蜗杆传动5.1机器人骨骼-机械结构3.服务机器人的传动机构6）棘轮传动7）曲轴连杆传动8）直线运动部件，如直线导轨、直线轴承、气缸、液压缸等。一：直线运动部件

特点：（1）运动平稳、精度高；（2）互换性强（标准件）；（3）刚度高；（4）质量大；适用场合：（1）多与滚珠丝杆配合，实现快速高精度定位。（2）安装自适应的编码器。1、直线导轨

（2）直线轴承适用场合：（1）多用于安装自适应的编码器，需要成对适用

特点：（1）容许载荷较小；（2）摩擦阻力最小，精度高，

运动快捷。

（3）轴承盒特点：（1）形式多样；（设计者依据自己的设计适用条件进行设计）（2）运动平稳、其精度由设计、加工和安装精度决定；（3）对构件经行完全约束，可独立使用；（4）工艺简单、质量轻；适用场合：（1）多用于搭建升降平台；（2）机械手的伸缩平台；

（4）气缸特点：（1）质量轻、行程短、响应快适用场合：（1）多用于机械手的动力部件

几种常用气缸类型单动气缸气动爪双动气缸

二、机器人常用传动1、线传动特点：（1）线传动机构精巧、安装方便、占用空间极小；（2）由于设计、制造简单、维护保养方便、因此，线传动成本低；（3）线传动易摩擦受损，需要定期检查并及时更换。；（4）线传动易于发生线压线的情况，因此传动比不精确；（5）线传动需要预紧。

钢丝线传动实例

2、链传动特点：（1）传递功率大，过载能力强；（2）所需的张紧力小，对轴的压力小；（3）平均传动比准确；（4）传动平稳性差，易磨损，磨损易跳齿；（5）质量大；链传动：通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。

链传动应用实例

单排链双排链链轮链条长度以链节数来表示。链节数最好取为偶数，以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接，接头处可用弹簧夹或开口销锁紧。若链节数为奇数时，则需采用过渡链节。在链条受拉时，过渡链节还要承受附加的弯曲载荷，通常应避免采用。

3、同步带传动特点：（1）带与带轮间无相对滑动,传动比恒定、准确；（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；（3）传递速度快、中心距大、传动比大（4）由于预拉力小，承载能力也较小；（机器人比赛足够）（8）安装精度要求高，要求有严格的中心距，长距离需要安装张紧轮或中心距可调。

同步带传动实例同步带轮同步带

同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点，在机器人制作中使用较多

同步带传动应用实例

同步带传动在驱动中的应用：

4、滚珠丝杆传动特点：（1）制造精度高；（2）微进给、控制位置精度高；（3）无侧隙、刚性高；（4）进给速度快；

（5）质量大；

4、滚珠丝杆传动

5、齿轮齿条传动特点：（1）传递动力大、功率高、速度快、传动比大；（2）工作平稳、可靠，传动比精确；

（3）传动位置精确，易于控制；

（4）安装精度要求较高；

（2）质量大，通常用塑料齿轮、齿条。

齿轮齿条传动斜齿圆柱齿轮传动蜗轮蜗杆传动圆锥齿轮传动转盘与电机的配合：

6、气压传动特点：（1）成本低、质量轻、响应快、动作快；（2）可重复次数少（冲一次气只能用几次），工作速度稳定性较差

；（3）接口处易漏气；（4）工作压力比较小，输出力不大；

气动是机械手最常用的传动方式：

气缸应用于提升装置

气缸应用于提升装置

7、蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力特点：1.可以得到很大的传动比，结构紧凑。2.两轮啮合齿面间为线接触，承载能力大。3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。4.具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。5.传动效率较低，磨损较严重。6.蜗杆轴向力较大。

涡轮蜗杆应用实例

8、其他传动方式棘轮传动曲轴连杆传动5.1机器人骨骼-机械结构5.1.4设计和制作机器人的一般过程1.机器人设计的内容额定负载额定速度工作空间自由度驱动方式性能指标1）基本技术参数设计5.1机器人骨骼-机械结构1.机器人设计的内容运动功能方案设计传动系统方案设计结构布局方案设计详细参数设计控制系统方案设计总体方案评价2）总体方案设计5.1机器人骨骼-机械结构1.机器人设计的内容装配图设计零件图设计控制系统硬件设计控制系统软件设计3）详细设计5.1机器人骨骼-机械结构2.机器人设计和制作的流程5.1机器人骨骼-机械结构2.机器人设计和制作的流程1）任务分析，总体设计。2）结构设计：行走机构设计，操作机构设计，框架外形设计，轮廓尺寸设计，电池、传感器、主板的安装位置设计等。3）机械动作设计：行走方式和路线规划、结构承受能力、执行机构动作编排等。4）电路设计：单片机选择、电路的设计。5.1机器人骨骼-机械结构02.机器人设计和制作的流程5）硬件制作和组装：结构画图和制作，电路画图和电子元件焊接，主装结构件和电路板，安装传感器6）程序编写7）总装整合，调试修改8）机器人能力评价：智能评价、机能评价、物理能评价9）外型包装THANKYOU第5章机器人机械结构与电机教学目标《机器人技术应用》1.了解机器人常用的机械零件和机械结构；2.掌握直流电机、步进电机、伺服电机的结构、工作原理和应用方法。目录页PAGEOFCONTENT5.1机器人骨骼-机械结构5.2机器人电机5.2机器人电机电机：依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置什么是电机？泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置5.2机器人电机电机的分类电机静止的电气设备——变压器旋转电机交流电机直流电机直流发电机直流电动机同步电机异步电机同步发电机同步电动机异步电动机异步发电机5.2机器人电机使用中的变压器水轮发电机电动机汽轮发电机组5.2机器人电机电能的生产、传输和分配5.2机器人电机驱动生产装置和机械5.2机器人电机控制系统和智能化装置的重要元件返回5.2机器人电机电机的作用

电机电能的生产、传输和分配控制系统和智能化装置的重要元件驱动生产机械和装置发电机、变压器电动机控制电机5.2机器人电机1.电磁感应定律变压器电动势运动电动势电机中的基本电磁定律5.2机器人电机1.电磁感应定律

电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象。

例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势（电压）称为感应电动势

。电机中的基本电磁定律5.2机器人电机1.电磁感应定律电磁感应定律中电动势的方向可以通过楞次定律或右手定则来确定。右手定则内容：伸平右手使姆指与四指垂直，手心向着磁场的N极，姆指的方向与导体运动的方向一致，四指所指的方向即为导体中感应电流的方向（感应电动势的方向与感应电流的方向相同）。楞次定律指出：感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。简而言之，就是磁通量变大，产生的电流有让其变小的趋势；而磁通量变小，产生的电流有让其变大的趋势。电机中的基本电磁定律5.2机器人电机1.电磁感应定律电机中的基本电磁定律5.2机器人电机1.电磁感应定律电机中的基本电磁定律5.2机器人电机磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。实验表明：将长度为l的导体置于磁场B中，通入电流i后，导体会受到力的作用，称为电磁力，也称为安倍力。思考与讨论

在电场中，电场强度的方向就是正电荷所受电场力的方向。那么，在磁场中，磁感应强度的方向是不是通电导体在磁场中的受力方向呢？2.电磁力定律电机中的基本电磁定律5.2机器人电机

实验表明：通电导体在磁场中受力方向与电流方向和磁场方向有关。电机中的基本电磁定律2.电磁力定律5.2机器人电机F、B、I方向关系BIF示意图安培力方向既与电流方向垂直又与磁场方向垂直，即垂直于电流和磁场所在的平面遵循左手定则BIF示意图电机中的基本电磁定律2.电磁力定律5.2机器人电机左手定则：伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感应线从掌心进入,并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向再次提醒：一定要使用左手！电机中的基本电磁定律2.电磁力定律5.2机器人电机2.电磁力定律Bfi电机中的基本电磁定律5.2机器人电机电机中的基本电磁定律2.电磁力定律5.2机器人电机电动机是机器人必不可少的器件之一。正是电动机的应用使得机器人能够完成与人类相似的动作。目前机器人一般都主要使用直流电机(有刷和无刷)、步进电机及直流伺服电机(舵机)。这三种电机的控制相对简单，性能出众，采用直流电源也容易实现。另外某些特殊应用场合的机器人还使用了超声波电动机、真空电动机等新型电动机。5.2机器人电机5.2.1直流电机直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，过载能力强，易于快速起动、停车。（3）易于控制。（4）性价比高。5.2机器人电机5.2.1直流电机缺点：与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。5.2机器人电机5.2.1直流电机应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。（4）机器人：行走机构驱动电机。5.2机器人电机5.2.1直流电机1.直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机5.2机器人电机5.2.1直流电机5.2机器人电机5.2.1直流电机5.2机器人电机5.2.1直流电机移动机器人所使用的直流电机主要是有刷直流电机和无刷直流电机。5.2机器人电机5.2.1直流电机1）有刷直流电机下图表示的是一台最简单的两极有刷直流电机模型，它由固定部分和转动部分组成。固定部分：磁铁、电刷转动部分：环形铁芯、绕组、换向片5.2机器人电机5.2.1直流电机有刷直流电机的物理模型图它的固定部分（定子）上，装了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一间隙。5.2机器人电机5.2.1直流电机有刷直流电机的物理模型图在电枢铁芯上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷A和B，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。5.2机器人电机5.2.1直流电机给直流电机的两个电刷加上直流电源，如图（a），直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。5.2机器人电机5.2.1直流电机如果转子转到如图2-21(b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流人，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。请判断此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向？5.2机器人电机5.2.1直流电机此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。5.2机器人电机5.2.1直流电机直流电机外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实际使用中的有刷直流电机转子上的绕组不是由一个线圈构成，而是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。5.2机器人电机5.2.1直流电机2）无刷直流电机由电机本体、转子位置传感器和电子换向控制电路三部分组成。电机的主转子为永久磁铁，主定子相当于普通直流电机的电枢，在定子铁芯槽中嵌有定子绕组。5.2机器人电机5.2.1直流电机

2）无刷直流电机的工作原理当定子绕组通过直流电时，与转子作用产生电磁转矩。与有刷直流电机的运转原理相似，为了使电机能够持续地转动起来，必须要让转子获得单一方向的电磁转矩，这就要求定子电流随转子位置的变化能适时地换向。定子电流的方向变化是通过转子位置传感器和电子换向控制电路实现的。5.2机器人电机5.2.1直流电机3）空心杯直流电机属于直流永磁电机，与普通有刷、无刷直流电机的主要区别在于采用无铁芯转子，该转子直接采用导线绕制成，没有任何其他的结构支撑这些绕线，绕线本身做成杯状，因此也叫空心杯型转子。5.2机器人电机5.2.1直流电机3）空心杯直流电机1、由于没有铁芯，极大地降低了铁损（电涡流效应造成的铁心内感应电流和发热产生的损耗）。最大的能量转换效率（衡量其节能特性的指标）：其效率一般在70％以上，部分产品可达到90％以上（普通铁芯电机在15-50%)；2、激活、制动迅速，响应极快：机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内，在推荐运行区域内的高速运转状态下）转速调节灵敏；3、可靠的运行稳定性：自适应能力强，自身转速波动能控制在2％以内；

5.2机器人电机5.2.1直流电机3）空心杯直流电机4、电磁干扰少：采用高品质的电刷、换向器结构，换向火花小，可以免去附加的抗干扰装置；5、能量密度大：与同等功率的铁芯电机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2；转速一电压、转速一转矩、转矩一电流等对应参数都呈现标准的线性关系。

5.2机器人电机5.2.1直流电机3）空心杯直流电机空心杯技术是一种转子的工艺和绕线技术，因此可以用于直流有刷电机和无刷电机。下图是一个典型的有刷空心杯电机的剖面示意图（瑞士MAXONMotorA.G．的典型空心杯电机），以及空心杯传子绕组的实物照片。

5.2机器人电机5.2.1直流电机3）空心杯直流电机

1端面法兰2永磁体定子3外壳（磁回路）4转子轴5转子绕组6-7换向器8石墨电刷9稀有金属电刷10外壳11电路连接端子

12滚珠轴承

13轴承5.2机器人电机5.2.1直流电机4）直流电机的选用直流电机的选用取决于其转速与功率，转速根据需要直接选取。转矩定义为在距离轴心一定半径距离上电机所输出的切向力。可以把它想象成电机带着一个特定直径的滑轮旋转，吊起悬挂在滑轮边缘上的一个重物。如果能够通过直径为lm的滑轮吊起lkg的重物，那它就输出了1Nm的转矩。5.2机器人电机5.2.1直流电机电机的功率公式如下（以W为单位）：P＝Tω

式中，T——转矩，单位是Nm。

ω——角速度，单位是rad/s。在电机工作范围内的任何状态，都可以用这个公式来求得电机的功率。5.2机器人电机5.2.1直流电机电机功率公式的第二种形式：

P＝Tnπ/30式中，T——转矩，单位是Nm。n——电机转速，单位是r/min。

P——电机功率，单位是W。5.2机器人电机5.2.1直流电机电机的特性曲线电机的特性曲线如右图。当电机处于最大转速的时候，对应的转矩最小；而电机处于最大转矩的时候，对应的转速为零。随着转速增大，电机的输出转矩减小。可以注意到在到达功率一转速曲线上的某个点后电机功率上升的趋势停止并呈现下降趋势，该点所对应的值即为最大功率Pmax。5.2机器人电机5.2.1直流电机直流电机的最大功率对应于转矩为1/2最大转矩，转速为1/2最大转速（即空载速度）的情况，其公式如下：Pmax＝1/4Tmaxωmax

5.2机器人电机5.2.1直流电机5）直流电机的基本控制系统1．驱动电路直流电机的驱动控制都是采用晶体管放大器来实现的。线性放大器的优点：在运行范围内有比较好的线性控制特性，没有明显的控制滞后现象，控制速度范围宽，对附近的电路于扰小。线性放大器的缺点：线性放大器工作时产生大量的热量，效率和散热问题严重，其最高效率不超过50%，必须采用大的功率器件，加大散热面积。5.2机器人电机5.2.1直流电机5）直流电机的基本控制系统1．驱动电路开关式放大器中，输出级的功率器件工作在开关状态，即饱和导通状态或截止状态。截止状态的器件不消耗能量，而饱和导通的功率器件上的压降又很小，这样功率输出级的损耗就很小，整体的效率就高。5.2机器人电机5.2.1直流电机5）直流电机的基本控制系统1．驱动电路几种基本的功率放大电路：(1)全部采用NPN晶体管构成的H桥电路(2)采用NPN和PNP型晶体管射极跟随器构成的H桥电路(3)采用PNP和NPN型晶体管集电极跟随器构成的H桥电路5.2机器人电机5.2.1直流电机5）直流电机的基本控制系统2．脉宽调制变换电路脉宽调制变换电路，即PWM变换电路，是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。它有不可逆和可逆两类。机器人大赛中使用的都是可逆PWM变换电路。可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。5.2机器人电机5.2.2步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在机器人大赛中的控制变得非常简单。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(1)结构

组成：定子、转子

都由硅钢片等导磁材料制成。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(1)结构电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3τ及2/3τ(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，以τ表示)，即A与1相对齐，B与齿2向右错开1/3τ，A´与齿5相对齐（A就是A´，齿5就是齿1），定转子的展开图如图所示。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(2)工作原理当A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐（此时转子不受任何力，以下均同）。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(2)工作原理当B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3τ，齿3与C偏移为1/3τ，齿4与A偏移2/3τ（τ-1/3τ）。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(2)工作原理当C相通电，A、B相不通电时，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3τ，齿4与A偏移为1/3τ。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(2)工作原理当A相通电，B,、C相不通电时，齿4与A对齐转子又向右移过1/3τ。这样经过A、B、C、A的分别通电状态，齿4（即齿1的前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理(2)工作原理如果不断地按A、B、C、A...…通电，电机就每步（或每脉冲）1/3τ。如按A、C、B、A...…通电，电机就反转。由此可见，电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，而电机的转动方向则由导电顺序决定。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面的考虑，往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3τ改变为1/6τ甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。5.2机器人电机5.2.2步进电机1．反应式步进电机原理不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m，…(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制—这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件，理论上可以制造任何相的步进电机。出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。5.2机器人电机5.2.2步进电机2．感应子式步进电机感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。5.2机器人电机5.2.2步进电机2．感应子式步进电机感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。而反应式电机则不能如此。例如：四相八拍运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式，其条件为。5.2机器人电机5.2.2步进电机（2）步进电机的性能指标步进电机的静态指标：(1)相数：产生不同对极N,S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。(2)拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.(3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例，四拍运行时步距角为360°/(50X4)=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为360°/(50X8)=0.9°（俗称半步）。5.2机器人电机5.2.2步进电机（2）步进电机的性能指标步进电机的静态指标：(4)定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成）。(5)最大静转矩Tmax(Nm)：定子绕组通入电脉冲，步进电机的转子静止时，由外力使转子离开平衡位置的极限转矩称为最大静转矩。它反映了步进电机的负载能力和动作的快速性。步进电机可驱动的负载转矩应比最大静转矩小得多，一般为（0.3～0.5)Tmax。5.2机器人电机5.2.2步进电机（2）步进电机的性能指标步进电机动态指标：(1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差／步距角X100％。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5％之内，八拍运行时应在15％以内。(2)失步：电机运转时运转的步数不等于理论上的步数，称之为失步。(3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。5.2机器人电机5.2.2步进电机（2）步进电机的性能指标步进电机动态指标：(4)最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。(5)最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，不带负载的最高转速频率。(6)运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。5.2机器人电机5.2.2步进电机（2）步进电机的性能指标步进电机动态指标：(7)电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180~250pps（每秒脉冲数）之间（步距角l.8°）或在400pps左右（步距角为0.9°)，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区越向上偏移；反之亦然。为使电机输出力矩大、不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点应偏移共振区较多。(8)电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用步进电机有步距角（涉及相数）、静转矩及电流三大要素。一旦三大要素确定，步进电机选择的型号便确定下来了。选择电机一般应遵循如图所示的步骤5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用(1)步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36°/0.72°（五相电机）,0.9°/1.8°（二、四相电机）,1.5°/3°（三相电机）等。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用(2)静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，往往是先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速），两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载即可。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍为好。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用(3）电流的选择静力矩相同的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线，判断电机的电流（参考驱动电源及驱动电压）。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用(4)力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用，其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P＝ω•MP＝2πnM/60其中，P为功率，单位为W,ω为角速度，单位rad/s，n为转速，单位为转／min，M为力矩，单位为Nm。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用步进电机选用中的注意点：(1)步进电机应用于低速场合，一般转速不超过1000转／min(0.9°时6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9°）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。(2)步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。(3)由于历史原因，除标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压，当然12V的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用步进电机选用中的注意点：(4)电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，这样做既可使电机不失步，又可以在减少噪音的同时提高停止的定位精度。(5)高精度时，应通过机械减速、提高电机速度，或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。5.2机器人电机5.2.2步进电机（3）步进电机的选用步进电机选用中的注意点：(6)电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼来解决。(7)电机在600pps(0.9°）以下工作时，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。(8)应遵循先选电机后选驱动的原则。5.2机器人电机5.2.2步进电机（4）步进电机的基本控制系统使用、控制步进电机必须用环形脉冲、功率放大等组成的控制系统，其方框图如图所示。步进电机控制系统框图5.2机器人电机5.2.2步进电机（4）步进电机的基本控制系统1．脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3~0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。步进电机控制系统框图5.2机器人电机5.2.2步进电机（4）步进电机的基本控制系统2．信号分配以二、四相感应子式步进电机为例，二相电机工作方式一般有二相四拍和二相八拍两种，具体分配如下：二相四拍为AB-AB-AB-AB，步距角为1.8°；二相八拍为AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB，步距角为0.9°。四相电机工作方式也有两种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8°；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB，步距角为0.9°。5.2机器人电机5.2.2步进电机（4）步进电机的基本控制系统3．功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大，就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式。到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。5.2机器人电机5.2.2步进电机（5）步进电机的典型驱动电路步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输人脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输人脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。5.2机器人电机5.2.2步进电机（5）步进电机的典型驱动电路①控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C相的通断。②控制步进电机的转向如果给定工作方式按正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。5.2机器人电机5.2.2步进电机（5）步进电机的典型驱动电路③控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。5.2机器人电机5.2.2步进电机（5）步进电机的典型驱动电路基于51单片机的步进电机控制系统：该单片机控制步进电机系统由51单片机（以AT89C51为例）、步进电机驱动电源（脉冲分配器和功率驱动）、步进电机等部分组成，其控制框图如图所示。控制系统框图5.2机器人电机5.2.2步进电机（5）步进电机的典型驱动电路基于51单片机的步进电机控制系统：由单片机给出脉冲信号，经脉冲分配器产生步进电机工作方式所需的各相脉冲信号，功率驱动电路对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机所需的激励电流。5.2机器人电机5.2.3伺服电机伺服电机（以下简称舵机）是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。在有控制信号时，舵机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，舵机就立即停止转动。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

1.伺服电机的类型和结构伺服电动机在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。类型：1）交流伺服电动机正弦波控制，转矩脉动小。2）直流伺服电动机

梯形波控制，转矩脉动较大；但结构简单，价格便宜。伺服电机交流伺服电机和驱动器5.2机器人电机5.2.3伺服电机交流电机编码器交流电机电源线编码器信号输出线外观结构包括电机、编码器、电源线和编码器信号线。5.2机器人电机5.2.3伺服电机交流电机转子电机外壳电缆插头编码器交流电机定子内部由定子、转子和编码器等组成。5.2机器人电机5.2.3伺服电机伺服电机的定子由铁心和线圈组成。电气原理图控制绕组励磁绕组5.2机器人电机5.2.3伺服电机伺服电机的转子有笼型和杯型两种。笼型转子：铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体，或铸铝形成转子绕组。杯型转子：呈薄壁圆筒形，置于内外定子之间。笼型转子杯型转子5.2机器人电机5.2.3伺服电机

2.伺服电机的工作原理旋转工作原理：当磁铁旋转时，在空间形成一个旋转磁场。假设永久磁铁按顺时针方向以转速n0旋转，那么它的磁力线就以顺时针方向切割转子导条，在转子导条中就会产生感应电势。根据右手定则可以判定，在N极下导条的感应电势方向为垂直地从纸面出来，而在S极下导条的感应电势方向为垂直地进入纸面。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来的，因此在感应电势的作用下，转子导条中就会有电流流过。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

2.伺服电机的工作原理旋转工作原理：此时，根据通电导体在磁场中受力原理，转子载流导条又要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力F作用在转子上，并对转轴形成电磁转矩。根据左手定则判断电磁力方向可知，电磁转矩方向