机器人控制系统

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)
放大器件
大功率 三极管 大功率 场效应 管
固态继 电器
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。
路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿
C相通电再转30
和B相轴线对齐，相对
A相通电位置转30；
这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且， 一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。
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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
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
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。 Vd∝ D，与单纯的周期T无关
由脉宽调制转速公式： Vd=Vmax * D 电动机平均转速Vd、全通电时速度 Vmax 已知，对于给 定的平均转速Vd ，便可计算出占空比D。 占空比D= t1 /T ， t1是通电时间， t2是断电时间。 脉宽周期T= t1 + t2 占空比的实现有两种方法
1、软件计数法
设单位时间（ t0 ）计一个数，则通电时间t1计数N1= t1 / t0 ， 断电时间t2计数N2= t2 / t0 ，在脉冲输出端，输出高 电平计数N1，输出低电平计数N2，并让输出端如此循环 输出即可。
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。 • 接触式有微动开关、行程开关、挡铁等。
接触式的行程开 关
Biblioteka Baidu
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
扭矩传感器
超声传感器
测距超声传感器
邦纳超声传感器
通常按励磁方式分为三大类： 1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小 齿、步距小。应用最广。
2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子
极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大
3）感应子式(混合式)： 转子为永磁式、两段，开小
齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好 、步距角小。但结构复杂，成本较高。
闭环调速速示意图
步进电机的控制
• 结构和工作原理
机理：
步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。 (1)给一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。
特点：
反应式步进电机的结构
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
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 、 SW4全部断开 电机控制示意图。
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。
电池
铅酸电池:体 积大,放电不 平稳
锂电池:体积小 寿命长,放电平 稳 镍氢电池:体积较 小小,寿命较长,放 电平稳
（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此 角称为步距角，用S表示。 （2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电 的顺序，改变通电顺序即可改变转向。
（3）工作过程
A
B' 1
A 相通电，A 方向的磁
C'
2
通经转子形成闭合回路。
若转子和磁场轴线方向
4
C
3 A'
B
原有一定角度，则在磁
场的作用下，转子被磁
化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁
电源
模块电源:体积 小,电压稳
开关电源:体积 小效率高 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。
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)。
CA通电
以上三种工作方式，三相双三 拍和三相单双六拍较三相单三 拍稳定，因此较常采用。
应用的步进电机
实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的， 图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁 极上也有五个齿。
转子的齿距等于360/ 40=9 ，齿宽 、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁 极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相 同。
二、三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程：
A
B' 4 1 3 A' 2
C' B
C
A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
A、B相同时通电
A
B'
C' B
A'
C
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。
（2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA' 通电，转子转了15°。
（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个
齿（3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 …… 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲， 转子只转 1.5 。 步进电机的转动方向仍由相序决定。
步进电机的控制
电源 指令 步进 电动机
脉冲发生器
脉冲分配器
功率放大器
步进电机驱动结构图 步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、 脉冲分配器和脉冲放大器(也称功率放大器) 三部分组成。
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
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。
脉冲发生器
脉冲发生器是一个脉冲频率在几赫到几十千赫内可连 续变化的脉冲信号发生器。最常见的有多谐振荡器和 单结晶体管构成的张弛振荡器两种。 脉冲分配器
脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各 相绕组的功率放大器上，使电机按一定方式运行，实 现正、反转和定位。
以反应式为例说明步进电机的结构和原理
• 特点 • 定转子开小 齿 • 定转子均为 软磁材料 • 小步距
反应式步进电机的结构
工作方式
一、三相单三拍
(1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为：
A相 B相 C相
通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相
三相单三拍的特点：
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. • 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。
2、硬件计数法
用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此 循环输出即可。
为了提高电动机脉冲 宽度调速系统的精度， 通常采用闭环脉冲宽度 调速系统。 闭环系统是在开环系 统的基础上增加了电动 机的速度检测回路，意 在将检测到的速度与给 定值比较，并由数字调 节器（PID）进行调节。 其原理框图如左图所示。
有刷直流电机的调速
开环脉冲宽度调速系统的组成 由五部分组成： （1）占空比D的 设定 1）用电位器调节、2） 用拨码开关、3）用数字键盘 （2）脉冲宽度发生器 软件编程 （3）驱动器 TTL放大电路 （4）电子开关 用晶体管、场效应管、可控硅、 继电器 （5）电动机 直流电机调速系统结构（开环）
占空比
B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
A
B'
C' B
A'
C
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称 为三相六拍，步距角为15。
三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
A
B'
A C' B
B'
C'
C
A'
C
A'
B
AB通电
BC通电
A
B'
C' B
A'
C
工作方式为三相双三 拍时，每通入一个电 脉冲，转子也是转 30，即 S = 30。
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
驱动电路
信号处理 放大电路
传感器
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
单片机 特点:结构简单,经 济性好 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
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 1 0
0
1 1 0
正转
反转 刹车 滑行
1
0 0 0
0
1 1 0
0
1 0 0
1
0 1 0
电机控制过程实例
PA0、PA1为0时，SW1、 SW3才有可能导通 SWx状态：PA0、1为1时导 通，为0时截止 SWx用的是场效应管 PB0---PB7：设置脉冲宽度， 即方波的占空比 74LS125：四总线三态缓冲器