《机器人技术应用》 课件 赵鹏举 第5-10章 机器人机械结构与电机- 能力风暴应用

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，电磁转矩方向与磁铁转动的方向是一致的，也是顺时针方向。因此，鼠笼转子便在电磁转矩作用下顺着磁铁旋转的方向转动起来。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

2.伺服电机的工作原理一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

2.伺服电机的工作原理减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输人的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于零，从而达到使舵机精确定位的目的。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

2.伺服电机的工作原理标准的舵机有三条控制线，分别为电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制电路所需的能源，电压通常介于4V~6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。小舵机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

3.伺服电机的特点和应用特点：

伺服电机最大的特点是在有控制信号输入时，它就转动；没有控制信号输入，它就停止转动。改变控制电压的大小和相位(或极性)，就可以改变伺服电动机的转速和转向。

另外，伺服电机与普通电机相比还具有以下特点：

1）调速范围宽广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。

2）转子的惯性小。能够实现迅速的启动、停转。

3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

3.伺服电机的特点和应用应用：

伺服电机在机器人上用作执行元件，应根据电机的功率、种类、结构形式和容量等因素合理的选择伺服电机。比如自动控制应用场合应尽可能选用交流伺服电机，而对调速和控制精度要求很高的场合则要选用直流伺服电机或其他专用的控制电机。比如频繁启停的场合应选用空心杯转子结构的伺服电机，速度要求比较平稳的场合应选用大惯量伺服电机。5.2机器人电机5.2.3伺服电机

4.舵机的单片机控制单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：一是产生基本的PWM周期信号，二是脉宽的调整。可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机和计数器进行脉冲计数产生PWM信号。5.2机器人电机5.2.4其它电机1.机器人其它电机的类型伺服电机交流伺服电机和驱动器1）直接驱动电机2）超声波电动机3）真空电动机5.2机器人电机5.2.4其它电机2.结构和特点1）直接驱动电动机电动机与负载直接耦合，无中间传动装置。特点：优点是省略了减速传动系统，能够提高机械效率，增大机构刚度，消除机构间隙，减小惯性。缺点是电机直接安装在各关节处，增大了关节重量。5.2机器人电机5.2.4其它电机2.结构和特点2）超声波电机

与传统的电磁式电机不同，超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振动作为动力源的一种新型电机，它由振动部分和移动部分所组成，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动。特点：体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等。5.2机器人电机5.2.4其它电机2.结构和特点3）真空电动机用于超洁净、高真空度、高低温测试环境下使用的真空机器人，例如用于搬运半导体硅片的超真空机器人等。

特点：能够在高温、低温和高真空度环境下使用。THANKYOU第6章机器人硬件电路教学目标《机器人技术应用》1.了解机器人常用的电池种类、特点，以及电池的使用注意事项。2.了解机器人常用的外接电源种类和特点。目录页PAGEOFCONTENT6.1机器人电源6.2机器人控制器6.3机器人传感器6.1机器人电源6.1机器人电源移动机器人常用的电池有干电池、铅酸蓄电池、镍镉镍氢电池、锂离子锂聚合物动力电池等。1、干电池干电池（Drycell）是一种以糊状电解液来产生直流电的化学电池（湿电池则为使用液态电解液的化学电池），大致上分为一次电池及二次电池两种，是日常生活之中为普遍使用，以及轻便的电池。不仅适用于手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等，而且也适用于国防、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域。6.1机器人电源6.1机器人电源1、干电池普通干电池大都是锰锌电池。中间是正极碳棒，外包石墨和二氧化锰的混合物，再外是一层纤维网，网上涂有很厚的电解质糊，其构成是氯化铵溶液和淀粉，另有少量防腐剂。最外层是金属锌皮做的筒，也就是负极。6.1机器人电源1、干电池电池放电就是氯化铵与锌的电解反应，释放出的电荷由石墨传导给正极碳棒，锌的电解反应是会释放氢气的，这气体是会增加电池内阻的，而和石墨相混的二氧化锰就是用来吸收氢气的。但若电池连续工作或是用的太久，二氧化锰就来不及或已近饱和没能力再吸收了，此时电池就会因内阻太大而输出电流太小而失去作用。但此时若将电池加热，或放置一段时间，它内部的聚集氢气就会受热放出或缓慢放出，二氧化锰也到了还原恢复，那电池就会有恢复活力。6.1机器人电源1、干电池随着科学技术的发展，干电池已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经约有100多种。普通锌锰电池也称碳性电池，是市场上最常见，最便宜的一种。根据采用的材料，制造工艺不同区分为普通型和“高能电池”（或称高性能电池）。优点：价格低廉；缺点：电容量低，不适合需要大电流和较长期连续工作的场合。6.1机器人电源1、干电池干电池的三项指标：1）标称电压：电池正常工作时的路端电压。新电池或刚充完电的电池电压会略高于额定电压，开始使用后马上就会落到这一值上，此后能在这一值上保持较长的时间。当低于该电压后，电池电压就会较快地下降，直至不能使用。2）容量：电池的电能量，一般用mAh表示。500mAh表示什么？3）存放期和自放电率。一般一次性电池有存放时间，约2-3年左右。这是由于电池在自由放置时的放电效应引起的，充电电池会自放电吗？表示此电池以50mA的电流放电，能工作10小时。充电电池由于自放电率较高，一般直接给出自放电率，每月百分之几。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池6.1机器人电源2、铅酸蓄电池铅酸蓄电池（Lead-acidbattery）主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。分为排气式蓄电池和免维护铅酸电池。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池2、铅酸蓄电池电池主要由管式正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽、电池盖、极柱、注液盖等组成。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池常用的铅酸蓄电池主要分三大类：1）普通蓄电池：普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。优点：电压稳定、价格便宜；缺点：比能低（即每公斤蓄电池存储的电能）、使用寿命短和日常维护频繁。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池常用的铅酸蓄电池主要分三大类：2）干荷蓄电池：全称是干式荷电铅酸蓄电池。主要特点：负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过20—30分钟就可使用。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池常用的铅酸蓄电池主要分三大类：3）免维护蓄电池①由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命期内基本不需要补充蒸馏水。②使用寿命长，使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。③有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池应用：铅酸蓄电池大多应用在牵引车、三轮车、汽车起动等，而免维护铅酸蓄电池应用范围更广，包括不间断电源、电动车动力、电动自行车电池等。6.1机器人电源2、铅酸蓄电池电池的安装、运输和存储、使用、运行检查注意事项。6.1机器人电源3、镍镉镍氢电池（1）镍镉电池镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-CadmiumBatteries，Ni-CdRechargeableBattery）是最早应用于手机、超科等设备的电池种类。它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。镍镉电池可重复500次以上的充放电，非常的经济。内阻小，可供大电流的放电，当它放电时电压的变化很小，作为直流电源是一种质量极佳的电池。因为采用完全密封式，因此不会有电解液漏出的现象，也完全不需要补充电解液。6.1机器人电源3、镍镉镍氢电池（1）镍镉电池用途：大型袋式和开口式镉镍电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。圆柱密封式镉镍电池主要用于电动工具、剃须器等便携式电器。小型扣式镉镍电池主要用于小电流、低倍率放电的无绳电话、电动玩具等。6.1机器人电源3、镍镉镍氢电池（2）镍氢电池镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。6.1机器人电源3、镍镉镍氢电池（2）镍氢电池应用：用于消费性电子产品用于遥控玩具。用于混合动力车辆。用于能量再生系统，比如将汽车减速时产生的能量存储在镍氢充电电池中再利用。6.1机器人电源4、锂电池锂电池大致可分为两类：锂离子电池和锂聚合物电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。锂聚合物电池主要有以下几类：锂-氟化石墨电池、锂-二氧化锰电池、锂-亚硫酰氯电池、锂-硫化铁电池以及锂-氧化铜电池等。6.1机器人电源4、锂电池（1）锂电池的特征高能量密度。锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。高电压。一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值)，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。无污染。锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。不含金属锂。锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。6.1机器人电源4、锂电池（1）锂电池的特征循环寿命高。在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次，磷酸亚铁锂（以下称磷铁）则可以达到2000次。无记忆效应。记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。快速充电。使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在1.5--2.5个小时内就充满电；而新开发的磷铁锂电池，已经可以在35分钟内充满电。6.1机器人电源4、锂电池（2）锂电池的应用锂锰电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源，广泛用于计算机、计算器、手表中。锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上，可以说是最大的应用群体。6.1机器人电源6.1.2外接电源1.服务机器人外接电源把市电220V的电压进得了降压，降到适合服务机器人所需要的电压，再提供给服务机器人，因此外接电源说成是电源适配器更恰当。6.1机器人电源6.1机器人电源6.1.2外接电源2.工业机器人外接电源工业机器人的外接电源一般是由专门的配电柜来提供，而且一般采用的都是交流电。供电电源采用三相五相制电源中的L1、L2、L3、PE四线供电。若现场没有PE（地线），也可用N（零线）替代，但必须在配电柜里接线6.1机器人电源6.2机器人控制器6.2.1机器人控制器的类型机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。作为机器人的核心部分，机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型（1）从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。

1）串行处理结构单CPU结构——集中控制方式二级CPU结构——主从式控制方式多CPU结构——分布式控制方式6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型目前，计算机控制器普遍采用上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合，这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法，它们存在一个共同的弱点：计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担，当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响，更难以保证高速运动中所要求的精度指标。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构

并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能满足机器人控制的实时性要求。从文献来看，关于机器人控制器并行处理技术，人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构从机器人结构上，并行处理结构主要分为以下几种：以单片机为核心的机器人控制系统；以PLC为核心的机器人控制系统；以工控机为核心的控制系统；6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构（1）单片机为核心的机器人控制

一般用于服务机器人，它是把单片机（MCU）嵌入到运动控制器中，能够独立运行并且带有通用接口方式方便与其他设备通讯。单片机是单一芯片集成了中央处理器、动态存储器、只读存储器、输入输出接口等，利用它设计的运动控制器电路原理简洁、运行性能良好、系统的成本低。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构（2）以PLC为核心的机器人控制

一般用于工业机器人。PLC即可编程逻辑控制器，一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，专为工业控制设计的计算机，符合工业环境要求。它是自控技术与计算机技术结合而成自动化控制产品。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构（2）以PLC为核心的机器人控制优点：技术成熟、编程方便，在可靠性、扩展性、对环境的适应性有明显优势，并且有体积小、方便安装维护、互换性强等，有整套技术方案供参考，缩短了开发周期。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构（2）以PLC为核心的机器人控制

缺点：和以单片机为核心的机器人控制系统一样，不支持先进的复杂的算法，不能进行复杂的数据处理，虽然一般环境可靠性好但在高频环境下运行不稳定，不能满足机器人系统的多轴联动等复杂的运动轨迹。6.2机器人控制器

1、机器人控制器的类型

2）并行处理结构

3）工控机为核心的控制

一般用于工业机器人。基于工控机的控制器是机器人系统应用主流和发展趋势。优点：基于工控机控制系统的软件开发成本低，系统兼容性好，系统可靠性强，计算能力优势明显，因此由于计算机平台和嵌入式实时系统的使用为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了硬件方面的保障。6.2机器人控制器2、机器人控制器存在的问题开放性差，局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构；软件独立性差，软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植；容错性差，由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性能变差，其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。

扩展性差，由于结构的封闭性，难以根据需要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块。6.2机器人控制器2、机器人控制器存在的问题解决方法：开放式结构机器人控制器，其主要思想是：

利用基于非封闭式计算机平台的开发系统，有效利用标准计算机平台的软、硬件资源为控制器扩展创造条件。

利用标准的操作系统和控制语言，改变各种专用机器人语言并存且互不兼容的局面。

采用标准总线结构，使得如各种传感器，I/O板、运动控制板等硬件可以很容易的集成到原系统。

利用网络通讯，实现资源共享或远程通讯。6.2机器人控制器

3、新型机器人控制器新型机器人控制器应有以下特色：●开放式系统结构。采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便的扩充功能，使其适用不同类型机器人或机器人化自动生产线。●合理的模块化设计。对硬件来说，根据系统要求和电气特性，按模块化设计，这不仅方便安装和维护，而且提高了系统的可靠性，系统结构也更为紧凑。●有效的任务划分。不同的子任务由不同的功能模块实现，以利于修改、添加、配置功能。6.2机器人控制器

3、新型机器人控制器新型机器人控制器应有以下特色：●实时性。机器人控制器必须能在确定的时间内完成对外部中断的处理，并且可以使多个任务同时进行。●网络通讯功能。利用网络通讯的功能，以便于实现资源共享或多台机器人协同工作。●形象直观的人机接口。6.2机器人控制器

6.2.2基于单片机的控制器单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。单片机是把一个计算机系统集成到一个芯片上。6.2机器人控制器

1、单片机的组成单片机主要是由运算器、控制器和寄存器组成。

1）运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic&LogicalUnit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。2）控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。6.2机器人控制器

1、单片机的组成单片机主要是由运算器、控制器和寄存器组成。3）主要寄存器包括累加器A、数据寄存器DR、指令寄存器IR和指令译码器ID、程序计数器PC、地址寄存器AR6.2机器人控制器

2、单片机的分类单片机（Microcontrollers）作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为：通用型和专用型总线型和非总线型工控型和家电型6.2机器人控制器

2、单片机的分类（1）通用型和专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51式通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。6.2机器人控制器

2、单片机的分类（2）总线型和非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接；另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。6.2机器人控制器

2、单片机的分类（3）工控型和家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。6.2机器人控制器

3、单片机的硬件特性●系统结构简单，使用方便，实现模块化；●单片机可靠性高，可以长时间稳定工作；●处理功能强，速度快。●低电压，低功耗，便于生产便携式产品●控制功能强●环境适应能力强。6.2机器人控制器

4、单片机控制器的应用（1）智能仪器，例如精密的测量设备（电压表、示波器、功率计等）（2）工业控制，例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制等。（3）家用电器，如电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、电子秤（4）网络和通信，如移动电话、无线电对讲机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信等（5）设备领域，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪。（6）模块化系统，如CD机（7）汽车电子，如发动机控制、GPS导航系统、abs防抱死系统等。6.2机器人控制器

4、单片机控制器的应用此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。6.2机器人控制器6.2.3基于PLC的控制器PLC，即可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），是一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存，进行储存与执行。可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元组合成。6.2机器人控制器6.2.3基于PLC的控制器PLC的作用：采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置6.2机器人控制器6.2机器人控制器

1、PLC控制器的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

1）电源一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

2）中央处理单元(CPU)PLC的控制中枢。接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态；诊断用户程序中的语法错误。6.2机器人控制器1、PLC控制器的基本结构3）存储器4）输入输出接口电路5）功能模块，如计数、定位等功能模块。6）通信模块，如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。6.2机器人控制器6.2机器人控制器2、PLC控制器的优缺点优点：1）配置方便2）安装方便3）编程方便4）维修方便5）改用方便6.2机器人控制器2、PLC控制器的优缺点缺点：PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。6.2机器人控制器

6.2.4基于工控机的控制器工控机又叫工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer—IPC），是一种加固的采用总线结构的增强型个人计算机，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。6.2机器人控制器

6.2.4基于工控机的控制器工控行业的产品经常会在环境比较恶劣的环境下运行，对产品的易维护性、散热、防尘、产品周期、甚至尺寸方面都有着严格的要求，对数据的安全性要求也更高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。6.2机器人控制器1、工控机的分类（1）按高度分类。一般分1U（44MM*430MM*XX），2U（88*430*XX），3U，4U（176MM*430MM*XX），5U，6U，7U，8U等，一个1U的高度是44MM，其他高度依次类推。（2）按长度分类。国际标准的长度有两种450MM与505MM，根据客户的具体要求还可以扩分其他长度，比如：480MM，500MM，520MM，530MM，600MM等；其中450MM~520MM的尺寸机箱占市场需求的90%以上。6.2机器人控制器1、工控机的分类（3）按悬挂形式分类。一般有卧式与壁挂式。（4）按使用场合分类。目前工控机的主要类别有五种：1）IPC（PC总线工业电脑）2）PLC（可编程控制系统）3）DCS（分散型控制系统）4）FCS（现场总线系统）5）CNC（数控系统）6.2机器人控制器2、工控机的主要组成结构1）硬盘架、光驱架：硬盘架分为分拆式和压卡式两种，品质优异的机箱一般都带金属弹簧防震功能；安装硬盘数量一般从4—15个；2）底板3）压卡条：主要起固定作用。4）后槽的扩展：有7槽或14槽两种；5）工控机箱的导热6）工控机箱的抗震6.2机器人控制器2、工控机的主要组成结构

7）工控机箱的电磁屏蔽屏蔽主机工作时产生的电磁辐射，保护人体健康；还能有效地阻隔外部辐射干扰，保证计算机内部配件不受外部辐射影响。8）无源底板9）工业电源10）CPU卡，IPC的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡。

11）其他配件：IPC的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有CPU、内存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。6.2机器人控制器3、工控机的应用工控机控制器已被广泛应用于工业及人们生活的方方面面。例如：控制现场、路桥控制收费系统、医疗仪器、环境保护监测、通讯保障、智能交通管控系统、楼宇监控安防、语音呼叫中心、排队机、POS柜台收银机、数控机床、加油机、金融信息处理、石化数据采集处理、物探、野外便携作业、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天、地铁、智能楼宇、户外广告等。6.2机器人控制器4、工控机控制器的优缺点

工控机与普通计算机相比必须具有以下优点：①机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。②机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。③机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。④要求具有连续长时间工作能力。⑤一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）。6.2机器人控制器4、工控机控制器的优缺点与普通的商用计算机机相比，缺点如下：①配置硬盘容量小；②数据安全性低；③存储选择性小；④价格较高。6.3机器人传感器6.3.1光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号的元器件。光电传感器的工作基础是光电效应。根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理

式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。

1.外光电效应在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等，如图所示。光电管外形图

光电倍增管的外形图3.4.2光电元件基于外光电效应的光电元件——光电管