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1、Spring 2012Motion Control Systems电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统 (Electrical Machinery and Motion Control Systems)授课教师：戴诗陆、稀晓田授课教师：戴诗陆、稀晓田 办公地址：华南理工大学办公地址：华南理工大学3号楼号楼509室室 Email: Tel:135804964002Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论绪论内容提要绪论内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制
2、系统为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点3Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论致谢致谢运动控制在机器人领域应用例子运动控制在机器人领域应用例子 该例子是来源于该例子是来源于RoboCupJuniorRoboCupJunior 中国委员会李实博士的中国委员会李实博士的“电电机与运动控制专题讲座机与运动控制专题讲座（一）（一）”详见网址：详见网址：http:/ 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.1 先说说：运动先说说：运动v地面常见的运动形式地面常见的
3、运动形式 轮式，履带式，腿式轮式，履带式，腿式运动：双足行走，多足运动：双足行走，多足行走行走v一些常见的特殊运动一些常见的特殊运动方式：自平衡车，蛇形方式：自平衡车，蛇形机器人，滑冰，飞行，机器人，滑冰，飞行，水里游动水里游动5Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.2 几种地面运动形式的比较几种地面运动形式的比较主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：主要从路面适应性，结构复杂性，以及控制要求角度来比较：路面适应性：路面适应性：多足运动多足运动 双足运动双足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动结构复杂性：结构复杂性：多足运动多足运
4、动 双足运动双足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动控制难度：控制难度：双足运动双足运动 多足运动多足运动 履带运动履带运动 轮式运动轮式运动问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？问题：为什么自然界的生物，不能进化出轮子？都是腿式运动？几点结论：几点结论：v人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式人类双足行走，是目前已知能量消耗最小的双足运行方式v自然界的进化，就是能量最优的进化自然界的进化，就是能量最优的进化v轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机器人的最好选轮式运动，结构简单，控制容易，虽然对路面要求高，不过还是我们制作初级机
5、器人的最好选择择6Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.3 轮式运动分析轮式运动分析v双轮差速控制方式双轮差速控制方式v速度方向独立控制方式速度方向独立控制方式v万向运动方式万向运动方式7Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.4 双轮差速双轮差速v双轮差速：双轮差速：特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现特点：两个电机分别控制两个不同的轮子，通过控制轮子转速的差别，来实现机器人的速度与方向控制。两个轮子布置在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的机器人的速度与方向控制。两个轮子布置
6、在机器人轴线上，穿过机器人相应方向的几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。几何中心。要求机器人的重心必须与机器人的几何中心在水平面投影重合。v运动特点：可以实现回转半径为零运动特点：可以实现回转半径为零8Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.5 速度方向独立控制速度方向独立控制v轮子，与方向，分别控轮子，与方向，分别控制，常见的例子包括：汽制，常见的例子包括：汽车，三轮车车，三轮车v结构稳定，驱动力大。结构稳定，驱动力大。v缺点：回转半径缺点：回转半径 零零9Spring 2012Motion Control System
7、s第0章 绪论1.6 万向运动万向运动v运动控制复杂；运动控制复杂；v可以在水平移动的同时，进行旋转；可以在水平移动的同时，进行旋转；v任何方向的移动与转动，都需要合成任何方向的移动与转动，都需要合成三个轮子的运动来实现；三个轮子的运动来实现；v有三轮方式，以及四轮方式。不过最有三轮方式，以及四轮方式。不过最少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；少也需要三轮，四轮方式是冗余配置；10Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.7 万向特色万向特色v由于旋由于旋转与平移的独立控制，可以与平移的独立控制，可以实现机器人一机器人一边运运动一一边旋旋转。机器人到任意两
8、点。机器人到任意两点间的运的运动，都是直，都是直线；v机器人可以在曲机器人可以在曲线运运动中，正方向始中，正方向始终面向一个方面向一个方向。向。应用：机器人守用：机器人守门员，无，无论如何移如何移动，可以永，可以永远盯着球的方向；着球的方向；11Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.8 电机与运动电机与运动v机器人的运机器人的运动，就是通，就是通过控制控制电机的机的转速与速与转向，来向，来实现；v机器人运机器人运动问题，本，本质上就是上就是电机控制机控制问题；电机控制的三个机控制的三个层面：面：v速度控制：通速度控制：通过控制速度，使机器人的运控制速
9、度，使机器人的运动速度恒定；速度恒定；v位移控制：通位移控制：通过控制控制电机速度与机速度与转过的角度，来的角度，来实现机器人机器人位移（位移（应用于万向运用于万向运动）；）；v电流控制：通流控制：通过控制控制电机的机的电流，来流，来实现电机机输出恒定扭矩；出恒定扭矩；（应用于精密加工用于精密加工领域）域）12Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.9 机器人常用的直流电机机器人常用的直流电机v直流减速电机；直流减速电机；v步进电机；步进电机；v无刷电机；无刷电机；13Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.1
10、0 直流减速电机直流减速电机两个重要两个重要结论：v电机机转速，与施加速，与施加给电机的机的电压，成正比；，成正比；v电机的机的输出扭矩，与通出扭矩，与通过电机机转子子线圈的圈的电流，成正比；流，成正比；减速箱的作用：减速箱的作用：v电机的机的转速，通速，通过减速箱，除以减速比，降低减速箱，除以减速比，降低转速；速；v电机的机的输出扭矩，通出扭矩，通过减速箱，乘以减速比，提高减速箱，乘以减速比，提高输出扭矩；出扭矩；电机控制方法：机控制方法：v通通过控制施加控制施加给电机的机的电压，以及正，以及正负极性的改极性的改变，来控制，来控制电机的机的转速速与与转向；向；v控制器，与控制器，与驱动器的概
11、念。控制方式：器的概念。控制方式：PWM，驱动方式：方式：H桥v开开环控制，与控制，与闭环控制；通控制；通过检测电机的当前运机的当前运转情况，反情况，反馈给控制器，控制器，然后来然后来调节控制信号，就是控制信号，就是闭环控制；控制；14Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.11 直流减速电机的控制器直流减速电机的控制器v控制方式：脉宽调制信号控制方式：脉宽调制信号(Pulse Width Moderm,PWM)；控制器：；控制器：只要是可以输出只要是可以输出PWM信号的设备，信号的设备，可以包括：单片机，可以包括：单片机，DSP，FPGA，PLC，等
12、等，等等电机电机PWM控制：控制：v电机控制的难题：电机的转速与转电机控制的难题：电机的转速与转向，与电压大小与极性有关。所向，与电压大小与极性有关。所以要控制电机转速与转向，就必以要控制电机转速与转向，就必须控制电机两端的电压大小与方须控制电机两端的电压大小与方向。而电压是模拟信号，而所有向。而电压是模拟信号，而所有的控制器，都是数字式的，也就的控制器，都是数字式的，也就是只能输出脉冲。是只能输出脉冲。v解决办法：通过调节脉冲的占空比，解决办法：通过调节脉冲的占空比，也就是脉冲宽度，来调节施加给也就是脉冲宽度，来调节施加给电机的等效电压。电机的等效电压。v前提：电机是时滞器件，而且是大前提：
13、电机是时滞器件，而且是大延时响应延时响应v详细原理，如下图所示；详细原理，如下图所示；15Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.12 电机驱动器电机驱动器v驱动方式：驱动方式：H桥桥v驱动器：各种驱动器：各种H桥电路，根据桥电路，根据PWM信信号，来实现电机电压大小与方向的变号，来实现电机电压大小与方向的变化；化；v原理如下。参考：原理如下。参考：http:/ 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.13 直流减速电机的闭环控制直流减速电机的闭环控制闭环控制可以达到的三个层面：闭环控制可以达到的三个层面：v速度闭环：电机可
14、以在任何外界环境速度闭环：电机可以在任何外界环境下，保持恒定的转速；下，保持恒定的转速；v位移闭环：电机可以在允许的最大速位移闭环：电机可以在允许的最大速度情况下，转过恒定的角度，然后停度情况下，转过恒定的角度，然后停止；止；v电流闭环：电机可以在不同负载情况电流闭环：电机可以在不同负载情况下，保持恒定的扭矩输出；下，保持恒定的扭矩输出；电机反馈信号检测用传感器：电机反馈信号检测用传感器：编码器：检测电机轴转动的角速度，编码器：检测电机轴转动的角速度，以及转过的角度以及转过的角度 说明：编码器应该与电机同轴，并且说明：编码器应该与电机同轴，并且安装在减速前端，而不是在减速后，安装在减速前端，而
15、不是在减速后，否则精度否则精度 大大降低；大大降低；编码器有光电式，或者霍尔式，不同编码器有光电式，或者霍尔式，不同原理。单位：线原理。单位：线/分钟分钟(PPM)17Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.14 闭环控制原理闭环控制原理 v控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，控制器通过编码器，实时检测当前电机运动信息，如果电机运动状态，和期望值不一致，那么就调整和期望值不一致，那么就调整PWM输出，直到电机运动与期望值一致输出，直到电机运动与期望值一致为止。为止。v经典控制方法：比例微分积分控制（经典控制方法：比例微分积分控
16、制（PID）v先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。先进控制方法：模糊控制，神经元网络控制，模糊神经元控制，等等。18Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论1.15 PID控制控制19Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论内容提要内容提要先谈谈运动控制在机器人领域应用例子先谈谈运动控制在机器人领域应用例子什么是运动控制系统什么是运动控制系统？为什么要学习运动控制系统为什么要学习运动控制系统？运动控制系统的发展过程与趋势运动控制系统的发展过程与趋势 本课程的特点本课程的特点20Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论2、什么、什么是运动控制系统？是运动控制系统？控制系统控制系统自动控制系统自动控制系统运动控制系统运动控制系统21Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论2.1 2.1 控制系统控制系统人工控制人工控制22Spring 2012Motion Control Systems第0章 绪论23Spring
