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1、第八章第八章 机器人的驱动机器人的驱动 这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。 执行装置执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。装置和气动执行装置。新型执行装置：新型执行装置：压电执行装置：压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压
2、而产生变利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。形的压电效应。形状记忆合金执行装置：形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。8.1 直流电机驱动（直流电机驱动（DC motor）1. 1. 直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机工作原理止口止口左左左左手手手手定定定定则则则则直流电动机直流电动机通过通过换向器将直流转换向器将直流转换成电枢绕组中换成电枢绕组中的交流，从而使的交流，从而使电枢产生一个恒电枢产生一个恒定方向的电磁转定方向
3、的电磁转矩。矩。T=BILr换向器换向器电刷电刷直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的机械特性控制控制电压电压电机结电机结构常数构常数每极每极磁通磁通电枢回路电阻电枢回路电阻负载负载转矩转矩转速转速电机转速的控制：电机转速的控制：“调压调速调压调速”（） “调磁调速调磁调速”2. 矩频特性曲线：矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。电流控制曲线和电压控制曲线。3. 直流电机的控制方式直流电机的控制方式 改变电压或电流控制转速和转距。改变电压或电流控制转速和转距。其中，其中，KE为电为电动势常数，动势常数， KF为转矩常数。为转矩常数。PWM (Pulse Width Modulation)控
4、制控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。达到调节电机转速的目的。 优点：优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，
5、转矩和转速容易控制。4. 直流电机的特点直流电机的特点书籍是进步的阶梯书籍是进步的阶梯 缺点缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。噪音比交流电机大。8.2 交流电机驱动（交流电机驱动（AC motor）1. 工作原理工作原理AC servomotorAC servomotor止口止口 同步电机：同步电机：所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。若所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。可用作发
6、电机。大小无关。可用作发电机。 n=ns=60f/p 异步电机：异步电机：所谓异步是指转子磁场和定子间存在速所谓异步是指转子磁场和定子间存在速 度差（不度差（不是角度差）。只用于电动机。是角度差）。只用于电动机。 n=60f/p(1-s) 同步电机和异步电机的定子绕组是相同的，它们的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机它们的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入直流电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生入直流电流；而异步电机的转子是短路的绕组，
7、靠电磁感应产生电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。2.矩频特性曲线矩频特性曲线 同步电机的特点：同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。度以下的工业机器人；机床领域。伺服电机的精度由编码器的精度决定。伺服电机的精度由编码器的精度决定。3.交流电机的特点交流电机的特点 4.交流电机的控制方式交流电机的控制方式 改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。 特点：特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的
8、无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。驱动电路复杂、价格高。 异步电机的特点：异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。等功率以上的伺服系统。8.3 步进电机驱动（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。控制，所以精度不高。 步进电机有三种：步进电机有三种：步
9、进电机有三种：步进电机有三种：永磁式永磁式PM（permanent magnet）；反应式；反应式（也称可变磁阻式）（也称可变磁阻式）VR（variable reluctance），），在欧美等发达国在欧美等发达国家家80年代已被淘汰；混合式年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混合了永，混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。 步进电机步进电机步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按
10、设定的当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.工作原理工作原理 PM式步进电机式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为间的
11、排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。 VR式步进电机式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁，上面有绕组。在定用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁，上面有绕组。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。 HB式步进电机式步进电机是是PM式和式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状式相同，转子和定子的形状与与VR式相似，步距角一般为式相似，
12、步距角一般为0.9o15o。 相数：相数：相数：相数：产生不同产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。对磁场的激磁线圈对数。 2. 相关术语相关术语 失步：失步：失步：失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 拍数：拍数：拍数：拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式：，四相八拍运行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：步距角：步距角：步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用对应一个
13、脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。表示。一般步进电机的精度为步距角的一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。，且不累积。 保持转距（保持转距（HOLDING TORQUE）或静转矩是指步进电机各相或静转矩是指步进电机各相通电但没有转动时，定子锁住转通电但没有转动时，定子锁住转 子的力矩。是电机选型时最重要的子的力矩。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为2Nm的步进电机
14、。的步进电机。 定位转矩定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，定子锁是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，定子锁住转子的力矩。由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而住转子的力矩。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。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。在国内没有统一的翻译。细分驱动器的原理细分驱动器的原理驱动器细分后的主要优点：驱动器细分后的主要优点
15、： （1）完全消除了电机的低频振荡。）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。）同时也提高了电机的输出转矩。（3）提高了电机的分辨率。）提高了电机的分辨率。 通过改变相邻（通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。来控制步进电机运转的。 3. 运行矩频特性运行矩频特性4. 步进电机驱动的特点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。载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象
16、。 在这个输出转矩在这个输出转矩区间，步进电机区间，步进电机启动时的输入脉启动时的输入脉冲频率必须缓慢冲频率必须缓慢增加增加1 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；的问题；2 2、高速性能好，一般额定转速能达到高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；转；3 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；载波动和要求快速起动的场合特别适用；4 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低速运行平稳
17、，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；运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5 5、电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；6 6、发热和噪音明显降低。发热和噪音明显降低。 伺服电机与步进电机比较伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势：伺服电机的优势：超声波电机超声波电机（一种未来很有希望的电机）（一种未来很有希望的电机） 特点：特点： 超声波电机具有体积小，超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能制灵敏度高，转子惯性小，响
18、应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。的优点。工作原理：工作原理：当给压电陶瓷施加一当给压电陶瓷施加一定方向的电压时，各部分产生的定方向的电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，的部分伸长，-的部分压缩），的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压部分交替相接。在交流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周的作用下，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外，由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相
19、位差为陶瓷的相位差为90O，所以，在，所以，在形成驻波的同时也会在水平方向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定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。就会产生旋转。同样也有直线运同样也有直线运动的超声波电机。动的超声波电机。直接驱动电机（直接驱动电机（direct drive:DD）优点：优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、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，
20、可以实现高速、高精度的位置控制和微小力机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。控制。这是这是什么什么？种类：种类：直流力矩电机、无刷直流电机、直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机等。式电机等。 缺点：缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。8.4 液压驱动液压驱动液液压压缸缸液液压压马马达达优点：优点： （1）容易获得比较大的扭矩和功率；）容易获得比较大的扭矩和功率； （2）功率）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积；重量比大，可以减小执行装置的体积； （3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；）刚度高，能够实现高速、
21、高精度的位置控制； （4）通过流量控制可以实现无级变速。）通过流量控制可以实现无级变速。缺点：缺点： （1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；（2）有因漏油而发生火灾的危险；）有因漏油而发生火灾的危险；（3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。液压驱动的特点：液压驱动的特点：8.5 气动驱动气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。气动执行装置的种类：气缸、气动马达。优点：优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；）利用气缸可以实现高速直线运动； （2）利用空气的可压缩性容易实现力控
22、制和缓冲控制；）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制； （3）无火灾危险和环境污染；）无火灾危险和环境污染； （4）系统结构简单，价格低。）系统结构简单，价格低。缺点：缺点：（1） 由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控 制都比较困难，驱动刚性比较差；制都比较困难，驱动刚性比较差； （2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；止的动作速度很慢； （3）噪音大；）噪音大；气动驱动的特点：气动驱动的特点：8.6 机械传动机构机械传动机构传动机构有减速装置、力传动机构有减速装
23、置、力传动机构有减速装置、力传动机构有减速装置、力( ( ( (力矩力矩力矩力矩) ) ) )和速度传递转换装置。常用和速度传递转换装置。常用和速度传递转换装置。常用和速度传递转换装置。常用的有螺旋传动、带传动、齿轮传动、链传动、杆机构、齿轮的有螺旋传动、带传动、齿轮传动、链传动、杆机构、齿轮的有螺旋传动、带传动、齿轮传动、链传动、杆机构、齿轮的有螺旋传动、带传动、齿轮传动、链传动、杆机构、齿轮齿条机构和谐波传动等，此外还有一种新型的减速机构齿条机构和谐波传动等，此外还有一种新型的减速机构齿条机构和谐波传动等，此外还有一种新型的减速机构齿条机构和谐波传动等，此外还有一种新型的减速机构RVRVR
24、VRV传传传传动装置，以及作为传动的重要保障装置的导向部件。动装置，以及作为传动的重要保障装置的导向部件。动装置，以及作为传动的重要保障装置的导向部件。动装置，以及作为传动的重要保障装置的导向部件。目前，机器人的旋转关节有目前，机器人的旋转关节有60%70%都使用谐波齿轮。都使用谐波齿轮。谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮组成。谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮组成。（1 1）谐波齿轮减速器）谐波齿轮减速器）谐波齿轮减速器）谐波齿轮减速器假设刚性齿轮由假设刚性齿轮由100个齿，柔性齿轮比它少个齿，柔性齿轮比它少2个齿，则当谐波个齿，则当谐波发生器转发生器转50圈时，柔性齿轮转圈时，柔性齿轮转1圈，这样只占用了很小的空间就可圈，这样只占用了很小的空间就可得到得到1:50的减速比。的减速比。 同步齿型带（带齿的皮带）、同步齿型带（带齿的皮带）、V型带（三角皮带）、平型带、型带（三角皮带）、平型带、链、绳索（钢丝绳）、连杆等机构都是长距离传递运动的机构。链、绳索（钢丝绳）、连杆等机构都是长距离传递运动的机构。四连杆机构四连杆机构刚度好、精度高，机械手等系统上经常使用。刚度好、精度高，机械手等系统上经常使用。（2）同步齿型带）同步齿型带Class is over.Bye-bye!
