工业机器人的驱动方式

来控制步进电机运转的。
驱动器细分后的主要优点： （1）完全消除了电机的低频振荡。 （2）同时也提高了电机的输出转矩。 （3）提高了电机的分辨率。
3. 运行矩频特性
起动曲线
运行曲线
在这个输出转矩 区间，步进电机 启动时的输入脉 冲频率必须缓慢 增加
4. 步进电机驱动的特点
控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负 载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。 一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。
失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
保持转距（HOLDING TORQUE）或静转矩是指电机各相绕组 通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。 是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接 近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情 况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。
工业机器人的驱动方式
2020/11/11
工业机器人的驱动方式
一、驱动装置的分类
机器人驱动分为液压、气动和电动 三种形式。
1．液压驱动：
n 分类：
n 从运动形式来分分为直线驱动如直线运动液压缸 和旋转驱动如液压马达、摆动液压缸。
n 从控制分为开环控制液压系统和闭环控制液压系 统。
n 适用范围：
n 液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载 的情形。
定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混 合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位 转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于 反应式步进电机的重要标志。 DETENT TORQUE 在国内没有统一 的翻译。
细分驱动器的原理 通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角
制，即便是超大载荷，依然可以单手指操控，避免装备失控。
3、简单的设计、使用及维护性。
工业机器人的驱动方式
2．实现回转运动的液压马达：
n 液压马达是将液压能转换为机械 能的装置。从构成来看，液压马 达分为齿轮式、叶片式以及轴向 柱塞式。
叶片式液压马 达工作原理图：
工作流程：
压力油进入油腔a—作用在 叶片2的右侧、叶片1的左 侧—叶片2伸出面积大—推 力大—推动叶片顺时针旋 转—转至b腔回油—带动中 心轴回转—液压能转变为机 械能。
1.3、无损失远程控制执行。可通过网络等远程进行系统的操控。
1.4、运动特性完全数字化。速度、行程与电脉冲有直接的对应关系，
2、优秀的生存力
2.1、高电磁兼容性
2.1.1、高抗干扰。由于传输采用数字脉冲功率信号可控性好。
2.1.2、低电磁辐射。
2.2、抗大加速度冲击振动。由于数字液压器件不采用线性电磁铁作为控制核心，因
2. 步进电机按其励磁相数可分为三相、四相、五相、 六相等；按其工作原理可分为反应式、永磁式合混 合式三大类。
步进电机的基本特点：
n 步进电机受点脉冲信号的控制。每输入以各脉冲信号，就变换 以磁绕组的通电状态，电机就相应的转动以步，因此电机的总 回转角合输入脉冲个数严格成正比关系，电机的转速则正比于 脉冲的输入频率。改变步进电机的定子绕组的通电顺序，可以 获得所需要的转向。改变输入脉冲频率，则可以得到所需要的 转速（但是不能够超出极限频率）。
伺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，对有瞬间负 载波动和要求快速起动的场合特别适用； 4、低速运行平稳，低速运行时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、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内； 6、发热和噪音明显降低。
n 当步进电机脉冲输入停止时，只要维持绕组的激励电流不变， 电机保持在原固定位置上，因此可以获得较高的定位精度，不 需要安装机械制动装置从而达到精确制动。
n 误差不长期积累，转角精度高。由于每转过360°后，转子的累 积误差为零，转角精度较高。
n 反映时间快。 n 缺点：效率低、没有过载能力。
步进电机工作原理图（1）：
直接驱动电机（direct drive:DD） 优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、
机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力 控制。
缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。
种类：直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。
这是 什么？
驱动滚轴丝杆
如下图，3相步进电机（1.2°/步）驱动物体运动1秒钟，则必要脉冲数和驱 动脉冲速度的计算方法如下：
3．电机驱动：
n 分类：
n 按照电机的工作原理不同分为步进电机、 直流伺服电机、无刷电机等。
n 按照控制水平的高低来分分为开环控制 系统和闭环控制系统。
n 适用范围：
n 适合于中等负载，特别适合于动作复杂、 运动轨迹严格的各类机器人。
二、对驱动装置的要求
n 驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量 的输出功率要高，效率高。
n 电液伺服阀的种类繁多。按液压放大器的级数 可分为单级、两级和三级；按第一级液压放大 器的结构分，有滑阀、喷嘴挡板阀、射流管阀 等。其中以双喷嘴挡板阀为最常用。
3．闭环伺服控制系统（3）：
n 喷嘴挡板阀：
n 结构：主要由三部分构成：力矩马达、前置级 及功率级。前置级接受力矩马达的控制信号， 通过改变喷嘴的大小改变油的流量控制功率阀； 功率阀接受前置级的流量信号控制并相应动作 控制机器人某关节动作。
n 反应速度要快。要求力质量比和力矩转 动惯量比要大。
n 动作平滑，不产生冲击。 n 控制灵活，位移偏差和速度偏差小。 n 安全可靠。 n 操作维修方便等。
三、液压驱动装置
1．实现直线运动的液压缸：
n 主要构成：
n 主要由活塞、 活塞杆、缸体、 缸盖、密封圈、 进出油口等构 成。
n 工作原理：
单活塞杆液压缸结构图：
n 液压驱动的本质优点在于它的安全性。如喷漆时 要求工作区域所带电压不超过9V。
莫
托
曼
机
器
人
搬
运
喷
涂
机
器
人
工业机器人的驱动方式
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2．气压驱动：
n 分类：
n 直线气缸，摆动汽缸及旋转气动马达。
n 适用范围：
n 适合于节拍快、负载小且精度要求不高 的场合（因为空气具有可压缩性）。
闭环伺服系统图例（1）：
液压伺服系统原理图
闭环伺服系统图例（2）：
用伺服阀控制液压缸简化原理图
3．闭环伺服控制系统（2）：
n 核心液压元件：
n 在闭环伺服控制系统中，核心液压元件是电液 伺服阀。
n 作用及特点：
n 电液伺服阀是一种接受电气模拟信号，输出相
应调制流量和压力的液压控制阀。
n 分类：
1. 步进电机是一种电脉冲信号转换成机械角位移的机 电执行元件。当有脉冲信号输入时，步进电机就一 步一步的转动，每个输入脉冲对应电机的一个固定 转角，故称为步进电机。步进电机属于同步电机， 多数情况用做伺服电机，且控制简单，工作可靠， 能够得到较高的精度。它是唯一能够以开环结构用 于数控机床的伺服电动机。
1.2驱动传动带
如上图，3相步进电机（1.2°/步）驱动物体运动1秒钟。驱动 轮的周长即旋转一圈移动的距离大约为50[mm]。
因此，所需要的必要脉冲数为
步进电机与单片机的接口
由硬件完成脉冲分配的功能
PMAC运动控制卡
工业机器人的驱动方式
工业机器人的驱动方式
单元控制模式
测试传感器
执行器
信号调理 驱动器
n 特点：能够按照控制要求动作。
n 工作原理：
n 挡板4处于控制喷嘴5中间位置→工作阀芯7不动作→ 力矩马达1通电→挡板4移动→改变喷嘴5口径大小→ 工作阀芯7两端产生压差→阀芯移动
喷嘴挡板阀结构示意图：
力矩马达 前置阀 功率阀
喷嘴挡板阀结构示意图：
四、电机驱动装置的工作原理
1．步进电机：
n 概述：
主要构成：
缸体 定子 转子 叶片
输出轴 进油口 出油口 进油腔a 回油腔b
叶片式液压马达结构图：
6—定子 7—转子 8—叶片
数字液压马达
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3．闭环伺服控制系统（1）：
n 工作原理：
n 通常用运算放大器做成的伺服放大器向 液压伺服系统中的电液伺服阀提供一个 电信号。由电信号控制先导阀再控制一 级或两级液压放大器，产生足够的动力 去驱动机器人的机械部件。
超声波电机（一种未来很有希望的电机）
特点： 超声波电机具有体积小， 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，没有电磁噪声等普通电机不具备 的优点。
工作原理：当给压电陶瓷施加一 定方向的电压时，各部分产生的 应变方向相反（在正电压作用下， +的部分伸长，-的部分压缩）， +、-部分交替相接。在交流电压 的作用下，压电陶瓷就会沿圆周 方向产生交替的伸缩变形，定子 弹性体的上下运动产生驻波。此 外，由于重叠在一起的两片压电 陶瓷的相位差为90O，所以，在 形成驻波的同时也会在水平方向 形成行波。这样，在驻波和行波 的合成波的作用下，使定子作椭 圆运动轨迹的振动。这样，装在 定子上的转子在摩擦力的作用下 就会产生旋转。同样也有直线运 动的超声波电机。
定子 15°
转子
A相通电
B相通电
15° C相通电
步进电机驱动（stepping motor）
步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制 较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环 控制，所以精度不高。