机器人控制系统-课件

关节机器人1大家好关节机器人1大关节机器人2大家好关节机器人2大家好水下机器人3大家好水下机器人3大家好仿生机器人4大家好仿生机器人4大家好5大家好5大家好6大家好6大家好拟人机器人7大家好拟人机器人7大家好拟人机器人8大家好拟人机器人8大家好并联机器人9大家好并联机器人9大家好机器人控制系统机器人控制系统第一讲第一讲 机器人控制系统的构成机器人控制系统的构成(硬件硬件)中心控制器中心控制器信号处理信号处理放大电路放大电路驱动电路驱动电路执行机构执行机构传感器传感器其它电路其它电路输入输出输入输出电源电源软件软件10大家好机器人控制系统第一讲机器人控制系统的构成(硬件)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:中心控制器单片机单片机驱动电路桥式桥式PWM调速电路调速电路执行机构直流伺服电机直流伺服电机信号处理电路光电隔离接入电路光电隔离接入电路传感器光电传感器、各类开关光电传感器、各类开关输入输出编程器编程器11大家好一个典型机器人控制系统(比赛)如图所示的是一个比12大家好12大家好机器人的拟人化比喻机器人的拟人化比喻人人 机器人机器人大脑大脑 中心控制器中心控制器感官感官 传感器传感器手和脚手和脚 运动执行机构运动执行机构神经和肌肉神经和肌肉 驱动放大及连接线路驱动放大及连接线路13大家好机器人的拟人化比喻人中心控制器任务和功能任务和功能 执行控制程序执行控制程序,通过外围电路控制执行机通过外围电路控制执行机构完成相关动作构完成相关动作.根据传感器的输入信息判断机器人工作根据传感器的输入信息判断机器人工作状态状态,决定机器人下一步的动作决定机器人下一步的动作.14大家好中心控制器任务和功能14大家好控制器的种类单片机单片机特点特点:结构简单结构简单,经经济性好济性好应用：简单结构应用：简单结构的机器人控制的机器人控制15大家好控制器的种类单片机特点:结构简单,经济性好应用：简单结构的机嵌入式工业控制模块嵌入式工业控制模块特点特点:抗干扰能力较抗干扰能力较强、运算速较快、强、运算速较快、能适应多种操作系能适应多种操作系统。统。应用：较复杂的机器人应用：较复杂的机器人须较强运算能力的机器须较强运算能力的机器人。人。16大家好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DSP（数字信号处理器）（数字信号处理器）特点：运算速度特点：运算速度比微处理器快，比微处理器快，实时性好，适合实时性好，适合嵌入式的实时数嵌入式的实时数字信号处理。字信号处理。应用：结构较复应用：结构较复杂，实时性要求杂，实时性要求较高的机器人较高的机器人17大家好DSP（数字信号处理器）特点：运算速度比微处理器快，实时性好专用运动控制卡专用运动控制卡独立式运动控制卡独立式运动控制卡英国翠欧运动控制卡英国翠欧运动控制卡国产国产MPC05运动控制卡运动控制卡18大家好专用运动控制卡独立式运动控制卡英国翠欧运动控制卡国产MPC0基于基于PC的运动控制卡的运动控制卡PCI总线的运动控制卡总线的运动控制卡(国国产产PCI208)104总线的运动控制卡总线的运动控制卡(美国美国PMAC)19大家好基于PC的运动控制卡PCI总线的运动控制卡(国104总线的运传感器功能和作用功能和作用:对机器人本身的状态和外界的对机器人本身的状态和外界的信息状态进行检测信息状态进行检测.为机器人进行下一步的为机器人进行下一步的动作提供信息依据动作提供信息依据.种类种类:机器人用传感器有很多类型但主要类机器人用传感器有很多类型但主要类型有四五种型有四五种.主要有主要有光线类传感器、触觉开关类传感器、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、电源超声探测器、温度等检测类传感器、电源检测类传感器。检测类传感器。20大家好传感器功能和作用:对机器人本身的状态和外界的信息状态进行检测光线类传感器光线类传感器光线传感器有很多种类主要用于光线传感器有很多种类主要用于测距、目测距、目标检测、颜色识别。标检测、颜色识别。可作为机器人定位、可作为机器人定位、巡线、目标检测和识别类传感器。巡线、目标检测和识别类传感器。漫反射光电传感器漫反射光电传感器 激光传感器激光传感器21大家好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、颜色红外光电传感器红外光电传感器光纤传感器光纤传感器22大家好红外光电传感器光纤传感器22大家好触觉开关类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、近距触觉开关主要用于机器人状态检测、近距离目标探测等。有离目标探测等。有非接触式和接触式非接触式和接触式两类。两类。接触式有微动开关、行程开关、挡铁等接触式有微动开关、行程开关、挡铁等。接触式的行程开关接触式的行程开关23大家好触觉开关类传感器触觉开关主要用于机器人状态检测、近距离目非接触式的开关有电容和电感等形式上图是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一种电容式接近开关24大家好非接触式的开关有电容和电感等形式上图是24大家好检测类传感器检测类传感器各类物理量的检测（如温度、压力、速度、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。位移、加速度等）都属于位置传感器。右图为用于测量电机右图为用于测量电机转速和角位移的增量转速和角位移的增量式编码器式编码器25大家好检测类传感器各类物理量的检测（如温度、压力、速度、位移、加速压力传感器压力传感器测力传感器测力传感器温度传感器温度传感器位移传感器位移传感器扭矩传感器扭矩传感器26大家好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26大家好超声传感器测距超声传感器测距超声传感器邦纳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超声传感器主要用于测距和机器人定位.27大家好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电源检测传感器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电源检测传感器主要有电流和电压传感器,其作用是对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可根据电源参数的变化判断机器人有无故障.主要有电流主要有电流和电压传感器和电压传感器.霍尔电流传感器霍尔电流传感器接入式电流传感器接入式电流传感器28大家好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,其作用是电压传感器电压传感器29大家好电压传感器29大家好驱动放大器驱动放大器作用作用:对控制器送来驱动信号进行运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算放大控制和驱动执行机构.驱动驱动器的种类很多器的种类很多.控制的方式有：控制的方式有：闭环、开环及部分闭环、开环及部分闭环三种闭环三种驱动主要器件有：驱动主要器件有：三极管、晶闸管、三极管、晶闸管、场效应管、固态继电器等。场效应管、固态继电器等。30大家好驱动放大器作用:对控制器送来驱动信号进行运算放大控制和驱动执闭环驱动器闭环驱动器瑞士瑞士MAX公司的闭环驱动器公司的闭环驱动器31大家好闭环驱动器瑞士MAX公司的闭环驱动器31大家好自制的驱动信号接口板自制的驱动信号接口板32大家好自制的驱动信号接口板32大家好自制的场效应管驱动器自制的场效应管驱动器(开环开环)33大家好自制的场效应管驱动器(开环)33大家好放大器件大功率大功率三极管三极管大功率大功率场效应场效应管管固态继固态继电器电器可控硅可控硅34大家好放大器件大功率大功率固态继可控硅34大家好执行机构执行机构执行机构是机不可器人最终完成动作执行机构是机不可器人最终完成动作的部件的部件,是控制系统控制的对象是控制系统控制的对象.主要有主要有电机、液压油缸、液压马达等。电机、液压油缸、液压马达等。电机的种类有很多，常用的有电机的种类有很多，常用的有交直侍交直侍服电机、步进电机、无刷电机、普通服电机、步进电机、无刷电机、普通交直流电机。交直流电机。35大家好执行机构执行机构是机不可器人最终完成动作的部件,是控制系统控各类电机各类电机交流伺服电机交流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机36大家好各类电机交流伺服电机直流伺服电机36大家好各类电机各类电机步进电机步进电机无刷电机无刷电机37大家好各类电机步进电机无刷电机37大家好电源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。38大家好电源38大家好电池电池锂电池锂电池:体积小体积小寿命长寿命长,放电平放电平稳稳铅酸电池铅酸电池:体体积大积大,放电不放电不平稳平稳镍氢电池镍氢电池:体积较小体积较小小小,寿命较长寿命较长,放电放电平稳平稳39大家好电池锂电池:体积小铅酸电池:体镍氢电池:体积较小小,寿命较长电源电源开关电源开关电源:体积体积小效率高小效率高模块电源模块电源:体积体积小小,电压稳电压稳普通电源普通电源:体积体积大大,效率低效率低40大家好电源开关电源:体积模块电源:体积普通电源:体积40大家好第二讲机器人控制系统的相关技术第二讲机器人控制系统的相关技术简介简介1 电机的控制电机的控制机器人中常用的电机有：机器人中常用的电机有：有刷有刷直流电机、无刷直流电机、步直流电机、无刷直流电机、步进电机、超声电机等进电机、超声电机等。各种电。各种电机的控制方法也不尽相同。电机的控制方法也不尽相同。电机的控制主要有速度、方向、机的控制主要有速度、方向、刹车及开停等。刹车及开停等。41大家好第二讲机器人控制系统的相关技术简介1电机的控制41大家电机的电机的PWM调速调速PWM(Pulse Width odulation)控制就是控制就是 宽调制技宽调制技术术：即通过对一系列脉冲的宽即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所度进行调制，来等效的获得所需要的电压值（含形状和幅值需要的电压值（含形状和幅值)。42大家好电机的PWM调速PWM(PulseWidthodula直流电动机调速原理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，有关，Ua转速转速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脉冲宽度调制制PWM。43大家好直流电动机调速原理43大家好脉宽调制转速公式（平均转速）：Vd=Vmax*DVd-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。D1。VdD，与单纯的周期T无关44大家好脉宽调制转速公式（平均转速）：Vd=Vmax*D44大直流电机调速图示直流电机调速图示45大家好直流电机调速图示45大家好Vd与与D只是近似的线性关系，与单纯的周期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）。在电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变不变的情况下，的情况下，T越小，电机转速越平稳。越小，电机转速越平稳。速度和占空比之间的关系速度和占空比之间的关系46大家好Vd与D只是近似的线性关系，与单纯的周期T无关（与步进电机的有刷直流电机的控制有刷直流电机的控制 正转：正转：SW1SW1、SW4SW4闭合闭合 反转：反转：SW2SW2、SW3SW3闭合闭合 刹车：刹车：SW2SW2、SW4SW4闭合闭合（或（或SW1SW1、SW3SW3闭合）闭合）滑行：滑行：SW1SW1、SW2SW2、SW3SW3、SW4SW4全部断开全部断开电机控制示意图。电机控制示意图。47大家好有刷直流电机的控制正转：SW1、SW4闭合电机控制示 双向控制电动机工作状态真值表双向控制电动机工作状态真值表 PA0、PA1为为0时，时，SW1、SW3才有可能导通才有可能导通 SWx状态：状态：PA0、1为为1时导时导通，为通，为0时截止时截止 SWx用的是场效应管用的是场效应管PB0-PB7：设置脉冲宽度，：设置脉冲宽度，即方波的占空比即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器：四总线三态缓冲器电机控制过程实例电机控制过程实例48大家好双向控制电动机工作状态真值表有刷直流电机的调速有刷直流电机的调速开环脉冲宽度调速系统的组成开环脉冲宽度调速系统的组成 由五部分组成：由五部分组成：（1）占空比）占空比D的的 设定设定 1）用电位器调节、）用电位器调节、2）用拨码开关、用拨码开关、3）用数字键盘）用数字键盘 （2）脉冲宽度发生器）脉冲宽度发生器 软件编程软件编程 （3）驱动器）驱动器 TTL放大电路放大电路 （4）电子开关）电子开关 用晶体管、场效应管、可控硅、用晶体管、场效应管、可控硅、继电器继电器 （5）电动机）电动机直流电机调速系统结构（开环）直流电机调速系统结构（开环）49大家好有刷直流电机的调速开环脉冲宽度调速系统的组成直流电机调速系统占空比占空比由脉宽调制转速公式：由脉宽调制转速公式：Vd=Vmax*D 电动机平均转速电动机平均转速Vd、全通电时速度、全通电时速度 Vmax 已知已知，对于给，对于给定的平均转速定的平均转速Vd，便可计算出占空比，便可计算出占空比D。占空比占空比D=t1/T，t1是通电时间，是通电时间，t2是断电时间。是断电时间。脉宽周期脉宽周期T=t1+t2 占空比的实现有两种方法占空比的实现有两种方法 1、软件计数法、软件计数法 设单位时间（设单位时间（t0）计一个数，则通电时间）计一个数，则通电时间t1计数计数N1=t1/t0，断电时间断电时间t2计数计数N2=t2/t0，在脉冲输出端，输出高，在脉冲输出端，输出高电平计数电平计数N1，输出低电平计数，输出低电平计数N2，并让输出端如此循环，并让输出端如此循环输出即可。输出即可。2、硬件计数法、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。循环输出即可。50大家好占空比由脉宽调制转速公式：Vd=Vmax*D50大家好 为了提高电动机脉冲宽为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调常采用闭环脉冲宽度调速系统。速系统。闭环系统是在开环系闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动统的基础上增加了电动机的速度检测回路，意机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调定值比较，并由数字调节器（节器（PID）进行调节。）进行调节。其原理框图如左图所其原理框图如左图所示。示。闭环调速速示意图闭环调速速示意图51大家好为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常步进电机的控制步进电机的控制结构和工作原理结构和工作原理机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号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，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点：特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。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。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。改变脉冲顺序，改变转动方向。52大家好步进电机的控制结构和工作原理机理：步进电机是利用电反应式步进电机的结构反应式步进电机的结构通常按励磁方式分为三大类：通常按励磁方式分为三大类：1 1 1 1）反应式：）反应式：）反应式：）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应用最广。齿、步距小。应用最广。齿、步距小。应用最广。齿、步距小。应用最广。2 2 2 2）永磁式：）永磁式：）永磁式：）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数转子为永磁材料，转子的极数转子为永磁材料，转子的极数转子为永磁材料，转子的极数=每相定子每相定子每相定子每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3 3 3 3）感应子式）感应子式）感应子式）感应子式(混合式混合式混合式混合式)：转子为永磁式、两段，开小转子为永磁式、两段，开小转子为永磁式、两段，开小转子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、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。步距角小。但结构复杂，成本较高。步距角小。但结构复杂，成本较高。步距角小。但结构复杂，成本较高。以反应式为例说明步进电机的结构和原理以反应式为例说明步进电机的结构和原理53大家好反应式步进电机的结构通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转特点特点定转子开小定转子开小齿齿定转子均为定转子均为软磁材料软磁材料小步距小步距反应式步进电机的结构反应式步进电机的结构54大家好特点反应式步进电机的结构54大家好工作方式工作方式一、三相单三拍一、三相单三拍(1(1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A 相相 C 相相 B 相相 55大家好工作方式一、三相单三拍(1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30。此。此角称为步距角，用角称为步距角，用 S表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电）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。的顺序，改变通电顺序即可改变转向。56大家好三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此（3）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA341257大家好（3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2、4齿齿和和B相轴线对齐，相对相轴线对齐，相对A相通电位置转相通电位置转30；1C342CABBAC相通电再转相通电再转30 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，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。一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。58大家好CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相轴线对二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共共六拍。六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA341259大家好二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：工作过程：A相通电，转所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。转子顺时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA341260大家好所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA通电，转子转了总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2、4齿和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15。61大家好总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电62大家好三相绕组的通电顺序为：AB通电CABBCA3412CA工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，转转子子也也是是转转30，即，即 S=30。CA通电通电CABBCA3412以上三种工作方式，三相双三以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍稳定，因此较常采用。63大家好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，应用的步进电机应用的步进电机实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3度和度和1.5 度，步距角越小，机加工的精度越高。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，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子40个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极个磁极，但每个磁极上也有五个齿。上也有五个齿。64大家好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转子的齿距转子的齿距等于等于360/40=9 ，齿宽、，齿宽、齿槽各齿槽各4.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。同。65大家好转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5工作原理：工作原理：假设是单三拍通电工作方式。假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对相的五个小齿和转子对齐。此时，齐。此时，B 相和相和 A 相空间差相空间差120120，含，含 120/9 =齿齿 A 相和相和 C 相差相差240240，含，含240240/9 9 =个齿。所以，个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿相的转子、定子的五个小齿对齐时，对齐时，B 相、相、C 相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、相的转子、定子相差定子相差 1/3 1/3 个齿（个齿（3 3），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6）。）。66大家好工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转转子只转 1.5 。步进电机的转动方向仍由相序决定。步进电机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3 （2）A 相相断断电电、B 相相通通电电后后，转转子子只只需需转转过过1/3个个 齿（齿（3），使），使 B 相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。67大家好若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，步进电机的转动方向步进电机的控制步进电机的控制步进电机驱动结构图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、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脉冲分配器和脉冲放大器(也称功率放大器也称功率放大器)三部分组成。三部分组成。68大家好步进电机的控制步进电机驱动结构图步进电动机的驱动电源主要由脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器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。现正、反转和定位。传统电路：门电路传统电路：门电路+触发器组成触发器组成集成电路：如集成电路：如CH205(CMOS)CH205(CMOS)三相六拍脉冲分配器三相六拍脉冲分配器脉冲发生器脉冲发生器脉冲发生器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。单结晶体管构成的张弛振荡器两种。趋势：单片机控制步进电机趋势：单片机控制步进电机趋势：单片机控制步进电机趋势：单片机控制步进电机由单片机实现脉冲发生器由单片机实现脉冲发生器由单片机实现脉冲发生器由单片机实现脉冲发生器+脉冲分配器的功能脉冲分配器的功能脉冲分配器的功能脉冲分配器的功能69大家好脉冲分配器脉冲发生器趋势：单片机控制步进电机69大家好典型的典型的微机控制步进电机微机控制步进电机系统系统如下图所示如下图所示 计算机控制步进电机需要解计算机控制步进电机需要解决的问题：决的问题：1）脉冲序列的产生）脉冲序列的产生 2）方向速度控制）方向速度控制 3）程序设计）程序设计70大家好典型的微机控制步进电机系统如下图所示70大家好1、脉冲序列的生成、脉冲序列的生成 脉冲序列如右图所示脉冲序列如右图所示 1）脉冲周期的实现）脉冲周期的实现 脉冲周期脉冲周期=通电时间通电时间+断电时间。断电时间。通电时通电时，计算机输出高电平使开，计算机输出高电平使开 关闭合；关闭合；断电时断电时，计，计算机输出低电平使开关断开。算机输出低电平使开关断开。通电和断电时间的控制通电和断电时间的控制，可以用定时器，也可以用软件延，可以用定时器，也可以用软件延时。时。周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。2）脉冲高度）脉冲高度 脉冲高度决定于元器件，对脉冲高度决定于元器件，对TTL电平为电平为0-5V，对，对CMOS电平一般为电平一般为0-10V。常用的接口电路多为常用的接口电路多为0-5V。71大家好1、脉冲序列的生成71大家好速度和方向的控制速度和方向的控制步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。单片机控制步进电动机速度的方法有两种：单片机控制步进电动机速度的方法有两种：1.软件延时法软件延时法在每次换相之后，调用一个延时子程序，待在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再执行换相子程序。周而复始，延时结束后，再执行换相子程序。周而复始，即可发出一定频率的步进脉冲，使电机按某即可发出一定频率的步进脉冲，使电机按某一确定转速运转。改变延时的时间长度就可一确定转速运转。改变延时的时间长度就可以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。以改输出脉冲的频率，从而调节电机的转速。72大家好速度和方向的控制步进电动机的运行速度决定于绕组的通电频率。单2.定时器延时法定时器延时法各种单片机都有数量不等的片载定时器各种单片机都有数量不等的片载定时器/计数计数器。加载某个定时器，当定时器溢出时就会器。加载某个定时器，当定时器溢出时就会产生中断信号，中止主程序的执行，转而执产生中断信号，中止主程序的执行，转而执行中断服务程序，这样可以产生硬件延时的行中断服务程序，这样可以产生硬件延时的效果。如将电机换相子程序放在定时器中断效果。如将电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每中断一次，电机服务程序之中，则定时器每中断一次，电机就换相一次，从而实现对电机的速度控制。就换相一次，从而实现对电机的速度控制。方向控制方向控制:改变通电顺序即可改变通电顺序即可,如单三拍如单三拍ABC为正转为正转,CBA为反转为反转73大家好2.定时器延时法方向控制:改变通电顺序即可,如单三拍AB PCx=1导导通通，对对应应绕组通电绕组通电 PCx=0截截 止止，对对应绕组断电应绕组断电（与与前前面面表表中中所所述述相相同）同）有光隔的步进电机控制电路有光隔的步进电机控制电路74大家好PCx=1导通，对应绕组通电有光隔的步进电机控制无刷电机的控制无刷电机的控制无刷电机的结构无刷电机的结构(a)结构示意图结构示意图(b)定转子实际结构定转子实际结构 75大家好无刷电机的控制无刷电机的结构(a)结构示意图(b)内部控制结构内部控制结构76大家好内部控制结构76大家好传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B77大家好传感器：H1=1H2=0H3=177大家好传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=0导通相：导通相：B78大家好传感器：H1=1H2=0H3=078大家好传感器：传感器：H1=1 H2=1 H3=0导通相：导通相：C79大家好传感器：H1=1H2=1H3=079大家好传感器：传感器：H1=0 H2=1 H3=0导通相：导通相：C80大家好传感器：H1=0H2=1H3=080大家好传感器：传感器：H1=0 H2=0 H3=1导通相：导通相：A81大家好传感器：H1=0H2=0H3=181大家好传感器：传感器：H1=1 H2=0 H3=1导通相：导通相：B82大家好传感器：H1=1H2=0H3=182大家好2传感器信号的接入传感器信号的接入1、开关量、数字量传、开关量、数字量传感器的接入感器的接入很多传感器输出很多传感器输出为开关量和数字为开关量和数字量，需要专门的量，需要专门的接口电路接入控接口电路接入控制器。目前主要制器。目前主要用光电隔离技术。用光电隔离技术。三极管三极管光电隔离的器件是光电三极管，光电隔离的器件是光电三极管，也称为光电耦合器也称为光电耦合器4N33光电耦合器光电耦合器83大家好2传感器信号的接入1、开关量、数字量传感器的接入三极管光电2、模拟量传感器的接入、模拟量传感器的接入下图为模拟量传感器接入的框图下图为模拟量传感器接入的框图传感器传感器信号处理信号处理放大电路放大电路采样保采样保持电路持电路A/D转换转换电路电路中心控中心控制器制器接口电路接口电路84大家好2、模拟量传感器的接入传感器采样保A/D转换中心控接口电路81、开关量输出开关量输出采用光电隔离技术输出，输出形式采用光电隔离技术输出，输出形式有：三极管、可控硅、固态继电器、有：三极管、可控硅、固态继电器、继电器、大功率场效应管。继电器、大功率场效应管。3控制信号的输出控制信号的输出85大家好1、开关量输出3控制信号的输出85大家好光电光电隔离器隔离器为高时继为高时继电器闭合电器闭合继电器继电器线圈线圈保护保护二极管二极管电磁式继电器的工作原理和应用电路如图所示。电磁式继电器的工作原理和应用电路如图所示。驱动电流一般为驱动电流一般为100mA左右，直流电压左右，直流电压5V、9V、12V、24V等等 选用时应考虑：选用时应考虑：1、额定工作电压、电流、额定工作电压、电流 2、接点负荷、接点负荷 3、接点、接点的数量与种类动断或动开）的数量与种类动断或动开）4、体积、封装、工作、体积、封装、工作 环境、延迟时间等环境、延迟时间等继电器输出继电器输出86大家好光电为高时继电器闭合继电器保护电磁式继电器的工作原理和应用电光电光电隔离器隔离器闭合时闭合时负载工作负载工作三极管三极管保护保护二极管二极管固态继电器的工作原理固态继电器的工作原理:当当SW闭合时闭合时,光电隔离导通光电隔离导通,三极管导通负载接通三极管导通负载接通.固态继电器输出固态继电器输出:工作原理工作原理87大家好光电闭合时三极管保护固态继电器的工作原理:当SW闭合时,光电步进电机步进电机绕组绕组C保护保护二极管二极管直流直流SSR主要用于直流负载的场合主要用于直流负载的场合输出工作电压输出工作电压30-180V（5V开始工作）开始工作）SSR控制步进电机（上图）。控制步进电机（上图）。PCx=1时导通，对应绕组通电。时导通，对应绕组通电。一个固态继电器应用的例子一个固态继电器应用的例子.88大家好步进电机绕组C保护直流SSR主要用于直流负载的场合一个固态继场效应管场效应管开关开关步进电机步进电机绕组绕组A光电光电隔离器隔离器保护保护二极管二极管浪涌电压保浪涌电压保护电路，保护电路，保护场效应管护场效应管大功率场效应管输出大功率场效应管输出场效应管型号为场效应管型号为IRF640，PCx为为1时对应绕组导时对应绕组导通通，为，为0时对应绕组关闭。三个绕组按规律交替时对应绕组关闭。三个绕组按规律交替导通，步进电机才会旋转。导通，步进电机才会旋转。89大家好场效应管开关步进电机绕组A光电保护浪涌电压保护电路，保护场效第三讲第三讲 机器人控制系统的设计、制机器人控制系统的设计、制作、调试作、调试1、机器人控制系统的设计机器人控制系统的设计1、控制系统的设计步骤、控制系统的设计步骤 A、了解控制系统的任务和要求，确定控制系统、了解控制系统的任务和要求，确定控制系统应具有的功能。应具有的功能。B、收集资料、了解掌握相关技术和知识。、收集资料、了解掌握相关技术和知识。C、总体方案设计、总体方案设计D、硬件选型及相关电路的设计、硬件选型及相关电路的设计E、操作系统的选择及控制软见的设计、操作系统的选择及控制软见的设计F、系统仿真、系统仿真90大家好第三讲机器人控制系统的设计、制作、调试1、机器人控制系统2、总体方案设计、总体方案设计根据机器人对控制系统的要求，设计根据机器人对控制系统的要求，设计控制系统的总体结构。控制系统的总体结构。设计总体结构应多总方案进行比较，设计总体结构应多总方案进行比较，在满足使用要求的条件下，要在满足使用要求的条件下，要考虑技考虑技术上的可行性、系统结构的复杂性、术上的可行性、系统结构的复杂性、操作维修的方便性、及经济性操作维修的方便性、及经济性。选择。选择一个最优方案。一个最优方案。提供系统的总体框图。提供系统的总体框图。91大家好2、总体方案设计91大家好下图是一个机器人控制系统的总体方案下图是一个机器人控制系统的总体方案92大家好下图是一个机器人控制系统的总体方案92大家好3、硬件选型及相关电路的设计、硬件选型及相关电路的设计根据总体方案对每一框的硬件结构进行设根据总体方案对每一框的硬件结构进行设计如果市场有现成的结构模块，且结构计如果市场有现成的结构模块，且结构功能均满足使用要求、经济性较好的条件功能均满足使用要求、经济性较好的条件下，尽量购买现成的结构模块。下，尽量购买现成的结构模块。购买现成的结构模块有下面的优点：购买现成的结构模块有下面的优点：A、利用成熟的技术、保正系统的可靠性、利用成熟的技术、保正系统的可靠性B、缩短系统的研发周期。、缩短系统的研发周期。C、系统维护方便，有现成的产品替换。、系统维护方便，有现成的产品替换。93大家好3、硬件选型及相关电路的设计93大家好选型选型 对于确定要购买的硬件模块要根据系的对于确定要购买的硬件模块要根据系的要求进行选型。要求进行选型。选型应遵循下面的原则选型应遵循下面的原则1、满足使用要求、满足使用要求2、使用维护方便、使用维护方便3、经济性好、经济性好94大家好选型94大家好硬件电路的设计硬件电路的设计硬件电路主要有：硬件电路主要有：各类接口电路各类接口电路信号处理放大电路信号处理放大电路驱动电路驱动电路动力电路动力电路其他电路其他电路开关数字量输入接口电路开关数字量输入接口电路模拟量输入接口电路模拟量输入接口电路数字开关量输出接口电路数字开关量输出接口电路模拟量输出接口电路模拟量输出接口电路95大家好硬件电路的设计硬件电路主要有：开关数字量输入接口电路模拟量输硬件电路的设计要注意下面几点硬件电路的设计要注意下面几点：1、电路原理正确、电路原理正确2、电路结构力求简单、电路结构力求简单3、尽量采用功能强大集成度高的、尽量采用功能强大集成度高的芯片和器件芯片和器件4、元器件尽量采用本地区能够买、元器件尽量采用本地区能够买到的产品到的产品96大家好硬件电路的设计要注意下面几点：96大家好硬件电路设计过程硬件电路设计过程1、了解硬件电路的功能和作用、了解硬件电路的功能和作用2、选择电路方案、选择主要的原器件、选择电路方案、选择主要的原器件3、进行相关的设计计算，确定原器件、进行相关的设计计算，确定原器件4、绘制原理图、绘制原理图5、检查修改确定无错误、检查修改确定无错误6、绘制印刷电路图，反复检查修该直到准、绘制印刷电路图，反复检查修该直到准确无误为止确无误为止97大家好硬件电路设计过程1、了解硬件电路的功能和作用97大家好软件设计及操作系统的选择软件设计及操作系统的选择操作系统：根据中心控制器的使用范操作系统：根据中心控制器的使用范围及机器人的工作要求选择合适的操围及机器人的工作要求选择合适的操作系统作系统选择操作系统应考虑：选择操作系统应考虑：操作系统是否操作系统是否满足使用要求，编程是否方便，对硬满足使用要求，编程是否方便，对硬件要求是否高，经济性是否好等因素。件要求是否高，经济性是否好等因素。98大家好软件设计及操作系统的选择操作系统：根据中心控制器的使用范围及软件设计软件设计软件设计过程软件设计过程1、了解软件的功能和作用、了解软件的功能和作用2、对整个软件系按功能和作用进行模块化划分、对整个软件系按功能和作用进行模块化划分3、按模块化画程序框图、按模块化画程序框图4、编写源程序、编写源程序5、调试汇编程序、调试汇编程序6、试运行、试运行99大家好软件设计软件设计过程99大家好1、机器人的发展历史及未来的发展趋势、机器人的发展历史及未来的发展趋势2、机器人在军事上的应用、机器人在军事上的应用3、关节机器人的结构及应用、关节机器人的结构及应用4、机器人控制系统的组成及作用、机器人控制系统的组成及作用5、亚太地区大学生机器人电视大赛的背景、亚太地区大学生机器人电视大赛的背景和意义和意义6、彷生机器人的发展及应用、彷生机器人的发展及应用7、步进电机的原理及控制、步进电机的原理及控制8、并联机器人的发展历史及应用、并联机器人的发展历史及应用100大家好1、机器人的发展历史及未来的发展趋势100大家好ByeBye101大家好ByeBye101大家好