机器人控制系统

电机的PWM调速
• PWM (Pulse Width odulation)控制就是 宽调制技 术：即通过对一系列脉冲的宽 度进行调制，来等效的获得所 需要的电压值（含形状和幅值)。
直流电动机调速原理
直流电动机由转子和定子组成，定子 可以是磁极或励磁绕组。
其转速与加在转子电枢上的电压 Ua有关， Ua↑→转速V↑；所加电压极性
• 接触式有微动开关、行程开关、挡铁等。
接触式的行程开 关
非接触式的开关有电容和电感等形式上图是 一种电容式接近开关
检测类传感器
• 各类物理量的检测（如温度、压力、速度、 位移、加速度等）都属于位置传感器。
右图为用于测量电机 转速和角位移的增量 式编码器
压力传感器
测力传感器
温度传感器
位移传感器
放大器件
大功率 场效应 管
可控硅
执行机构
• 执行机构是机不可器人最终完成动作 的部件,是控制系统控制的对象.主要有 电机、液压油缸、液压马达等。
• 电机的种类有很多，常用的有交直侍 服电机、步进电机、无刷电机、普通 交直流电机。
各类电机
交流伺服电机
直流伺服电机
各类电机
步进电机
无刷电机
电源
• 电源包括各类电池及各类电源 模块和整流稳压电源。电池提 供能源，模块电源提供各种电 压，整流器完成AC-DC转换。
SW4全部断开
电机控制示意图。
电机控制过程实例
双向控制电动机工作状态真值表
控制数据 运转
开关状态
PA1 PA0 状态 SW1 SW2 SW3 SW4
1 0 正转 1 0 0 1
0 1 反转 0 1 1 0
1 1 刹车 0 1 0 1
0 0 滑行 0 0 0 0
PA0、PA1为0时，SW1、 SW3才有可能导通
扭矩பைடு நூலகம்感器
超声传感器
测距超声传感器
邦纳超声传感器
超声传感器主要用于测距和机器人定位.
电源检测传感器
电源检测传感器主要有电流和电压传感器,其作用是对 电源进行监测防止由于电源的变化引起的机器人故障, 可根据电源参数的变化判断机器人有无故障.主要有电流 和电压传感器.
霍尔电流传感器
接入式电流传感器
电压传感器
SWx状态：PA0、1为1时导 通，为0时截止
锂电池:体积小 寿命长,放电平 稳
电池
铅酸电池:体 积大,放电不 平稳
镍氢电池:体积较 小小,寿命较长,放 电平稳
开关电源:体积 小效率高
电源
模块电源:体积 小,电压稳
普通电源:体积 大,效率低
第二讲机器人控制系统的相关技术 简介
§1 电机的控制
• 机器人中常用的电机有：有刷 直流电机、无刷直流电机、步 进电机、超声电机等。各种电 机的控制方法也不尽相同。电 机的控制主要有速度、方向、 刹车及开停等。
• 主要有光线类传感器、触觉开关类传感器、 超声探测器、温度等检测类传感器、电源 检测类传感器。
光线类传感器
• 光线传感器有很多种类主要用于测距、目 标检测、颜色识别。可作为机器人定位、 巡线、目标检测和识别类传感器。
• 漫反射光电传感器
激光传感器
红外光电传感器
光纤传感器
触觉开关类传感器
• 触觉开关主要用于机器人状态检测、近距 离目标探测等。有非接触式和接触式两类。
应用：简单结构 的机器人控制
嵌入式工业控制模块
特点:抗干扰能力较 强、运算速较快、 能适应多种操作系 统。
应用：较复杂的机器人 须较强运算能力的机器 人。
DSP（数字信号处理器）
特点：运算速度 比微处理器快， 实时性好，适合 嵌入式的实时数 字信号处理。
应用：结构较复 杂，实时性要求 较高的机器人
专用运动控制卡
英国翠欧运动控制卡
国产MPC05运动控制卡
独立式运动控制卡
基于PC的运动控制卡
PCI总线的运动控制卡(国 产PCI208)
104总线的运动控制卡(美国 PMAC))
传感器
• 功能和作用:对机器人本身的状态和外界的 信息状态进行检测.为机器人进行下一步的 动作提供信息依据.
• 种类:机器人用传感器有很多类型但主要类 型有四五种.
Vd∝ D，与单纯的周期T无关
直流电机调速图示
Vd与D只是近似的线性关系，与单纯的周期T 无关（与步进电机的调速脉冲不同，步进 电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变 的情况下，T越小，电机转速越平稳。
速度和占空比之间的关系
有刷直流电机的控制
正转：SW1、SW4闭合 反转：SW2、SW3闭合 刹车：SW2、SW4闭合 （ 或 SW1 、 SW3 闭 合 ） 滑行：SW1、SW2、SW3、
机器人的拟人化比喻
•人 大脑 感官 手和脚 神经和肌肉
机器人 中心控制器 传感器 运动执行机构 驱动放大及连接线路
中心控制器
●任务和功能 执行控制程序,通过外围电路控制执行机
构完成相关动作. 根据传感器的输入信息判断机器人工作
状态,决定机器人下一步的动作.
控制器的种类
单片机 特点:结构简单,经 济性好
关节·机器人
关节机器人·
水下机器人
仿生机器人
拟 人 机 器 人
拟 人 机 器 人
并联机器人
机器人控制系统
第一讲 机器人控制系统的构成(硬件)
软件
输入输出
电源
其它电路
中心控制器
信号处理 放大电路
传感器
驱动电路 执行机构
一个典型机器人控制系统(比赛)
如图所示的是一个比赛机器人控制系统它 的主要组成部分如下: • 中心控制器——单片机 • 驱动电路——桥式PWM调速电路 • 执行机构——直流伺服电机 • 信号处理电路——光电隔离接入电路 • 传感器——光电传感器、各类开关 • 输入输出——编程器
驱动放大器
作用:对控制器送来驱动信号进行运 算放大控制和驱动执行机构.驱动 器的种类很多.
控制的方式有：闭环、开环及部分 闭环三种
驱动主要器件有：三极管、晶闸管、 场效应管、固态继电器等。
闭环驱动器
瑞士MAX公司的闭环驱动器
自制的驱动信号接口板
自制的场效应管驱动器(开环)
大功率 三极管
固态继 电器
改变，则电动机反转。 据此原理，通过改变电动机电枢电压接
通和断开的时间比（即占空比）来控制电 动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调 制PWM。
脉宽调制转速公式（平均转速）：
Vd=Vmax * D
Vd----电动机平均转速 Vmax 全通电时速度（最大）
D= t1 /T----占空比， t1是通电时 间，T是脉宽周期。D≤1。