机器人技术讨论课电机驱动系统

《机器人技术》讨论——机器人电机驱动系统姓名：指导教师：目录1、前言 (1)2、报告正文 (2)2.1选择原则 (2)2.2选择要求 (2)2.3机器人驱动电机 (3)2.3.1伺服电动机 (3)2.3.2步进电动机 (3)2.3.3超声波电动机 (3)2.4电机选择方法 (3)2.4.1伺服电机的选择 (3)2.4.2步进电机的选择 (4)2.4.3超声波电机 (6)2.4.4电机优略比较 (6)3、研究报告的总结 (7)参考文献： (7)机器人电机驱动系统（燕山大学机械工程学院）摘要：通过在课外查找、阅读和分析相关的知识内容，将各门课程的知识点围绕机器人设计联系起来。

自主学习有关机器人的电机驱动系统知识，探明和研究机器人常用的可控电机有哪些，以及如何选择这些电机的方法。

总结、整理并撰写有关机器人电机驱动系统的报告。

1、前言通过汇报互相提问讨论和教师参与的形式，将各门课程的知识点围绕机器人设计联系起来，使看起来不相关的课程形成了一个整体的系统，使我们从机器人设计这一工程实践的角度，确确实实地看到了每一门课程的重要作用，于是更有了学习驱动力，对于培养我们的自主学习，提高学习质量有着促进作用。

加深对机电系统的基础知识和实践能力的培养，并在沟通能力、团队合作能力等方面得到锻炼和提高。

无形中扩充了形式，丰富了学习内容，扩充了知识面，而且强化交流、合作、责任心和工程意识。

工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。

在许多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著，不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势，国内各行各业对机器人的需求将越来越多。

现有工业机器人主要应用于机械制造、汽车工业、金属加工、电子工业、塑料成型等行业、从功能上看，这些应用领域涉及机械加工、搬用、工件及工夹具装卸、焊接、喷漆。

装配、检验和抛光修正等。

主要目的是提高生产能力、改善工件条件、提高制造系统的自动化水平和柔性。

而对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。

特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。

这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。

本文章旨在通过在课外查找、阅读和分析相关的知识内容自主学习有关机器人的电机驱动系统知识及方法，探明和研究机器人常用的可控电机有哪些，以及如何选择这些电机的方法。

2、报告正文2.1选择原则对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。

特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。

这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。

2.2选择要求1．快速性电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。

响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。

2．起动转矩惯量比大在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。

3．控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。

4．调速范围宽。

能使用于1：1000～10000的调速范围。

5．体积小、质量小、轴向尺寸短。

6．能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。

2.3机器人驱动电机2.3.1伺服电动机1．交流伺服电动机包括同步型交流伺服电动机及异步型交流伺服电动等。

2．直流伺服电动机包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。

2.3.2步进电动机1.反应式2.永磁式3.混合式2.3.3超声波电动机1.驻波型2.直线型3.多自由度球形4.非接触式2.4电机选择方法2.4.1伺服电机的选择伺服电机，按照通常的区分划分为直流伺服电机，交流伺服电机。

选择什么样的伺服电机，在很大程度上取决于负载的物理特性，负载的工作特性、系统要求以及工作环境。

一旦系统要求确定后，无论选择何种形式的伺服电机，首先要考虑的是选择多大的电机合适，主要考虑负载的物理特性，包括负载扭矩、惯量等。

在伺服电机中，通常以扭矩或者力来衡量电机大小，所以选电机首先要计算出折算到电机轴端负载扭矩或者力的大小。

计算出扭矩以后需要留出一部分余量，一般选择电机连续扭矩>=1.3倍负载扭矩，这样能保证电机可靠的运行。

除此外还需要计算折算到轴端负载惯量的大小，一般选择负载惯量：电机转子惯量<5：1，以保证伺服系统响应的快速性。

如果出现电机和负载之间惯量，扭矩不匹配的情况，那么只能牺牲速度，在电机和负载间增加减速机了，这时你需要权衡。

选择出用多大扭矩的电机后，需要做的是了解负载的工作特性和工作环境。

负载的工作特性包括如负载是高速还是低速运行，加速度需要达到多少，是否需要频繁起停，频率需要达到多少，系统运行精度等等。

这时选择伺服电机也并没有什么特定的规律可循，关键的是你所选择的电机必须适应你负载运动的工作要求。

不需要频繁起停的情况下，步进电机是一种很好的选择。

这是因为步进电机开环控制，控制精度低，速度太高，电机扭矩会下降的很快，将带不动负载，速度过低会出现转动不连续的爬行现象，而且步进电机的响应也不快，不适合频繁启动的应用场合。

当运动速度几转到3000多转以下时，控制精度相对要求较高，可以选择直流或者交流伺服电机。

工业应用中广泛应用的交流伺服电机为交流永磁同步电机，由于其在额定转速以下呈现的恒扭矩特性，所以多用于负载扭矩恒定或者变化不大的场合，比如机床进给系统。

选择是相对的，同一种应用，可以用交流也可以用直流，有时取决于环境，比如有的机器人项目，交流电源相对而言比较难得到，那就只能用直流伺服电机了。

直流电机的特点：优点：调速方便（可无极调速），调速范围宽，低速性能好（起动转距大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。

缺点：换相需经常维护，电刷容易磨损，必须经常更换，噪音较大。

交流电机的特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险：比直流电机驱动电路复杂、价格更高。

同步电机特点：体积小，适用于响应速度快的中等速度以下的工业机器人。

异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。

2.4.2步进电机的选择步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。

步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。

广泛应用于机电一体化产品中。

步进电机在构造上有三种主要类型：反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

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。

市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往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二种。

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）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3、电流的选择静力矩一样的电机，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图，判断电机的电流。

步进电机特点：控制系统简单可靠，成本较低；但控制精度受步距角限制，高负载或高速度时容易失步，低速运动时会产生步进运动现象。

2.4.3超声波电机超声波电动机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器。

由于激振元件为压电陶瓷，所以也称为压电马达。

80年代中期发展起来的超声波电机是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。

超声电机是一个典型的机电一体化产品与传统电机相比，它具有以下特点：1、低速大力矩输出2、功率密度高3、起停控制性好4、可实现直接驱动5、可实现精确定位6、容易制成直线移动型马达7、噪音小：无电磁干扰亦不受电磁干扰8、需使用耐磨材料(接触型USM)和高频电源等。

超声电机的两个显著特点是：1)低速大力矩输出：2)保持力矩大，宏观表现为起停控制性好。

由于以上特点，与超声电机相连接的系统无须齿轮减速机构和制动机构，简化了应用系统的结构。

超声波电机有着诱人的应用前景，成为研究的一大热点。

对于工业机器人一般可应用在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。

或用超声电动机作为机器人的关节驱动器，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。

2.4.4电机优略比较超声波电机成本较高且应用场合较少故不用来比较服电机与步进电机比较伺服电机的优势：1、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题2、高速性能好，一般额定转速能达到2000--3000转3、抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别适用4、低速运行平稳，不会产生类似于步进电机的步进运行现象。

适用于有高速响应要求的场合。

5、电机加减速的动态响应时间短，一般在几时毫秒之内6、发热和噪音明显降低综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。