机器人驱动系统

• 无刷直流电动机迅速推广应用的重要因素之一是近10多年来大功率集成电路的技术进步，特别 是无刷直流电机专用的控制集成电路出现，缓解了良好控制性能和昂贵成本的矛盾。
• 近年来，在机器人中，交流伺服电电机正在取代传统的直流伺服电动机。 • 交流伺服电电机的发展速度取决于PWM控制技术，告诉运算芯片（如DSP）和先进的控制理
2）直流伺服电机驱动
• 在20 世纪80年代以前，机器人广泛采用永磁式直流伺服电动机作为执行机构，近年来，直流 伺服电机受到无刷电动机的挑战和冲击，但在中小功率的系统中，永磁式直流伺服电动机还是 常常使用的。
• 20世纪70年代研制了大惯量宽调速直流电动机，尽量提高转矩，改善动态特性，既具有一般 直流伺服电动机的优点，又具有小惯量直流伺服动机的快速响应性能，易与大惯量负载匹配， 能较好地满足伺服驱动的要求，因而在高精度数控机床和工业机器人等机电一体化产品中得到 了广泛应用。
• （2）、按控制系统的信号形式分类：可分为连续控制系统和离散控制系统。连续控制系统贯 穿系统各环节的输入/输出信号量是时间的连续函数。离散控制系统全部或部分信号是以离散 形式出现和产生所需要的控制。通常系统既有连续又有离散的信息，根据一个一定的阀值来进 行两类信号的转换实现这种控制。
• 例如： • a弧焊控制：对焊接电流的控制是连续控制，当发生短路时，立刻切断电源这又是离散控制。 • b生产线加工部件由传送带送到固定加工位置，同时发出到位信号，用来启动机器人控制程序
的连续控制，从而由离散到连续。一般离散信号是继电器的动作，脉冲或数字信号。
• （3）、根据控制机器人的数目分类：可分为单机系统和群控系统。
• 单机就是指控制系统仅对本机进行自主的控制。集中或分散的或两者结合的， 同时控制多个机器人的控制系统称之为群控系统。群控系统也容许每个机器人 有自己独立的控制系统，但每一个机器人的控制系统要接受总的控制系统的命 令，或在系统之间有通信，以便能使所有机器人协调工作。
论，如矢量控制，直接转矩控制等。电机控制系统通过引入微处理芯片实现模拟控制向数字控 制的转变，数字控制系统促进了各种现代控制理论的应用，非线性解耦控制，人工神经网络， 自适应控制、模糊控制等控制策略纷纷引入电机控制中，由于微处理器的处理速度和存储容量 都有大幅度的提高，一些复杂的算法也能实现，原来由硬件实现的任务在通过算法实现，不仅 提高了可靠度，还降低了成本。
精度较高 反应灵敏
方便，对油温要求高
漏油 较高/高 低速、重型
气动
小 < 10%
精度较低 低速不易控制
方便，对气压要求高
噪声 低/低 快速、小型
电动
较大 60-70%
精度高 系统较复杂
方便
基本没有 高/较低 通用
（１）驱动器的选择：
• ①驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平 为评价标准。
• 无刷直流电动机在运行过程中要进行转速和换向两种控制，控制提供给定子线圈的电流，就可 以控制转子的转速：在转子到达指定位置时，霍尔元件检测到该位置并改变定子导通相，实现 定子磁场改变，从而实现无接触换向。同直流电动机相比，无刷电动机具有以下优点：
• 无刷电动机没有电刷，不需要定期维护，可靠性更高。没有机械换向装置，因而它有更高转速 。克服大电流在机械式换向器换向时易产生火花，电蚀，因而可以制造更大容量的电动机。
4.机器人驱动系统 • 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通
常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动 系统有电传动、液压传动、气压传动和机械传动。
表1-1 常用驱动方式性能比较
驱动 指标
功率/质量比 综合功率 控制性能
维护与应用 对环境影响 投资/运行成本 应用范围
液压
大 20-30%
4）制动器
• 许多机器人的机械臂都需要爱各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机 械臂的位置不变，在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。
• 例如，齿轮、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小，在驱动器停 止工作的时候，它们是不能承受负载的。如果不采用如制动器、加紧器或止挡等装置，一旦电 源关闭，机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。
1）步进电机驱动
• 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的数字/模拟装 置。步进电机有回转式步进电机和直线式步进电机，对于旋转式步进电机而言 ，每当输入一个电脉冲后，步进电机输出轴就转动一定角度，如果不断地输入 电脉冲信号，步进电机就一步步地转动，且步进电机转过的角度与输入脉冲个 数成严格比例关系，能方便地实现正、反转控制及调速和定位。步进电机不同 于通用的直流和交流电动机，它必须与驱动器和直流电源组成系统才能工作， 通常我们所说的步进电机，一般是指步进电机和驱动器的成套装置，步进电机 的性能在很大程度取决于“矩—频”特性，而“矩—频”特性又和驱动器的性 能好坏密切相关。
• 普通交、直流电机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大， 适用于中型或重型机器人。
• 伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的 精确控制，适用于中小型机器人。
• 交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电机主要用于开环控制系 统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。
• 伺服驱动：就是通过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动 伺服电动机，实现机器人的高速、高精度运动，去完成指定的作业。
• 反馈：机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态进行实时地反 馈，把这些信息反馈给控制计算机，使控制计算机实时监控整个系统的运行情况，及时做出各 种决策。
脉冲分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关 系加到功率放大器上，使各相绕组按一定的顺序和 时间导通和切断，并根据指令使电机正转、反转。 实现确定的运行方式。
• 特点： • ① 输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角不受
各种干涉因素，如电压的大小，电流的数值，波形等影响，转子的速度主要取 决于脉冲信号的频率，总的位移量则取决于总脉冲数。 • ②容易实现正反转和启、停控制，启停时间短。 • ③输出转角的精度高，无积累误差。步进电机世纪步距角与理论步距角总有一 定的误差，且误差可以累加，但当步进电机转过一周后，总的误差又回到零。 • ④直接用数字信号控制，与计算机接口方便。 • ⑤维修方便，寿命长。
小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。
（２）驱动器的安装
• 底座安装——较大体积的驱动器。 • 法兰安装——中小型驱动器。 • 卡箍安装——微小型驱动器。 • 临时安装——微小型驱动器。
（３）电动驱动
• 电动驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器 人的关节，以获得所要求的位置，速度和加速度。电动机驱动可分为普通交流 电机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
5.控制系统
图1-12 机器人控制系统
• 机器人控制系统包括控制柜（电源模块、中央处理器CPU、接口模块、数字量 模块、模拟量模块、位置控制模块、通信模块等）、伺服系统（伺服电机、伺 服电机驱动器、编码器）、示教器、PC机、人机交互设备（触摸屏等）、现 场数字量输出设备及安防系统。如图1-12所示。
• 实际上群控系统是一个多级系统，每一级系统或者模块要接受上一级系统下达 的指令与任务命令，使本级机器人执行上述的命令，并要向上一级反馈执行的 结果的信息。
• （4）、按人机关系分类：自动控制系统完全自治操作，操 作人员不必干予。但有一些系统要求部分控制功能由操作 人员来完成。
机器人的轮廓控制。 • 程序控制可以使各关节的运动是连续的，也可以是离散的，通过各个关节的连续运动的合成，实现轮廓控制，也可用
点位控制，用不连续的点位实现连续轮廓控制。 • 自适应控制系统：自适应是根据环境的变化，不断地给出后续运动轨迹的控制。环境的变化是通过传感器来感知，也
就是根据检测到的信息来决策。这个决策是控制系统中的核心问题。要有很复杂的计算方法。对环境的感知是实时的 ，要求是高精度和高速度的运算处理。硬件逻辑复杂。 • 这一类控制系统也是以程序控制为基础，仅是根据外界环境的变化来及时修改原有的程序。目前对于这一类智能机器 人的各种感觉的研究尚处于探索阶段，特别是视觉，要求灵敏度高的视觉装置且可对图象处理和识别能力。 • 组合控制系统：它兼有程序控制和自适应控制两种功能，它具有利用已知的基本上由工作性质和环境条件决定的信息 实现程序控制，还可以在执行过程中根据工作条件的变化而改变控制过程并保证最佳的控制品质。所以，这是应用最 广的控制系统。
• 工业机器人的控制器在要求完成特定作业时，需要做下述几件事：
• 示教：通过计算机来接受机器人将要去完成什么作业。也就是给机器人的作业 命令，这个命令实质上是人发出的。
• 计算：这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的，它通过获得的示教信息要形 成一个控制策略，然后再根据这个策略（也称之为作业轨迹的规划）细化成各轴的伺服运动的 控制的策略。同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理，采集并处理各种信息。因此， 这一部分是非常重要的核心部分。
• 制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产 生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间要不断花费 电力使制动器放松。
• 为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位精度，制动器应当尽可能地放在系统的驱动输 入端，这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统移动，保证了在承载条 件下具有较多的定位精度。
图1-13 Biblioteka 器人控制基本原理图• 控制系统可以有四种不同分类方法：按控制运动方式、控制系统信号类型、控制机器人的数目以及人机的相互关系等 分类。
• （1）、按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。 • 程序控制系统：绝大多数商品机器人是属于这种控制系统，主要用于搬运、装配、点焊等点位控制，以及弧焊、喷涂
• 优点：启动转矩大，体积小，重量轻，转速易控制，效率高。 • 缺点：有电刷和换向器，需要定期维修、更换电刷，电动机使用寿命短、噪声大。
3）无刷伺服电动机驱动
• 直流电动机在结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如维护困难 ，寿命短，转速低（通常低于2000r/min），功率体积比不高等。将直流电动机的定子和转子 互换位置，形成无刷电动机。转子由永磁铁组成，定子绕有通电线圈，并安装用于检测转子位 置的霍尔元件、光码盘或旋转编码器。无刷电动机的检测元件检测转子的位置，决定电流的换 向。
• 一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器，并根据机器人 的用途选择合适的电机。
• 只须点位控制且功率较小者，或有防暴、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动 器。
• 负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 • ②对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸