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1、机器人技术基础机器人技术基础机器人技术基础机器人技术基础机器人的动力驱动系统（4）机器人电气驱动系统(一)机器人技术基础机器人技术基础目 录/CONTENTS二 步进电机驱动一 电气驱动的特点机器人技术基础机器人技术基础 电气驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动机器人的关节，以获得要求的位置、速度和加速度。机器人技术基础机器人技术基础一、电气驱动的特点 电气驱动具有无环境污染、运动精度高、成本较低、驱动效率高、能量传递方便(导线柔软、连接方便)、信号传递迅速、标准化程度高、易于实现自动化等优点，应用最为广泛，电气驱动可分为步进电机驱动、舵机、直流伺服电机驱动、交流伺服电
2、机驱动、直线电动机驱动。1.电气驱动的优点机器人技术基础机器人技术基础一、电气驱动的特点 电气驱动优势明显，在机器人驱动领域所占比例日益增加。但是，还是有一定的缺点，具体表现在1)运动平稳性差,易受外界负载的影响;2)惯性大、换向慢,3)电气设备和元件要耗用大量的有色金属,成本高;4)受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大2.电气驱动的缺点机器人技术基础机器人技术基础一、电气驱动的特点 (1)快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应尽可能短。(2)起动转矩惯量比较大。要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。(3)控制特性的连续性和直线性 (4)调速范围宽，能使用于
3、11 000110 000的调速范围。(5)体积小，质量轻，轴向尺寸短。(6)可频繁换向。能在苛刻的运行条件下工作，可进行十分频繁的正、反向和加、减速运动，并能在短时间内承受过载。3.机器人关节对电气驱动的要求机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动 步进电动机(stepping motor)是一种将输入脉冲信号转换成相应角位移或线位移的旋转电动机。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数，做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。1.步进电机的特点机器人技术基础机器人技术
4、基础二、步进电机驱动 步进电动机是通用、耐久和简单的电动机,可以应用在许多场合,在大多数应用场合,使用步进电动机时不需要反馈,这是因为步进电动机每次转动时步进的角度是已知的(除非失步)。由于它的角度位置总是已知的,因而也就没必要反馈,所以其电路简单,容易用计算机控制,因此，常用于有一定精度要求的开环控制。控制简单，成本低。1.步进电机的特点机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动1.步进电机的特点 通常步进电动机具有永磁转子，而定子上有多个绕组。由于绕组中产生的热量很容易从电动机机体散失，因而步进电动机很不容易受到热损坏的影响，且因为没有电刷与换向器，所以寿命比较长。机器人技术基础机器人技
5、术基础二、步进电机驱动2.步进电机的种类 根据步进电机的结构形式，可以把它分为永磁式步进电机、反应式步进电机、混合式步进电机3种，如图5-15所示。图图5-15 5-15 步进电动机的结构形式步进电动机的结构形式机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动2.步进电机的种类 (1)永磁式步进电动机。永磁式步进电动机的转子为圆筒形永磁钢，定子位于转子的外侧，定子绕组中流过电流时产生定子磁场。定子和转子磁场间相互作用，产生吸引力或排斥力，从而使转子旋转。永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5或15。该步进电动机结构简单，生产成本低，步距角大，起动频率低，动态性能差。(2)反
6、应式步进电动机。反应式步进电动机的转子由齿轮状的低碳钢构成，转子在通电相定子磁场的作用下，旋转到磁阻最小的位置。反应式步进电动机出力大，动态性能好，但步距角大。机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动2.步进电机的种类 (3)混合式步进电动机。混合式步进电动机有时也称为永磁感应式步进电动机，它综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,步距角小,效率高,发热低,动态性能好,是目前性能最好的步进电动机。因为永磁体的存在,该电动机具有较强的反电动势,其自身阻尼作用比较好,使其在运行过程比较平稳、噪声低、低频振动小。混合式步进电动机在某种程度上可以被看作低速同步的电动机。一个四相步进电动机可以做四
7、相运行,也可以做两相运行(必须采用双极电压驱动),而反应式电动机则不能如此运行。机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动3.步进电机的工作原理 电动机的定子上有 6个均匀分布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有绕组，按图5-16所示的绕法连成A、B、C三相绕组。转子上均匀分布40个小齿。因此，每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。图图5-16 5-16 三相反应式步进电动机的剖面示意图三相反应式步进电动机的剖面示意图机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动3.步进电机的工作原理 由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其
8、比值是一分数，这就产生了齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C相磁极下的磁阻比A相磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B相磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3。此时，A、C相磁极下的齿又分别与转子齿错开1/3齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动3.步进电机的工作原理 依次类推，当三相绕组
9、按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步距角b为3。机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动3.步进电机的工作原理 三相步进电动机还有两种通电方式：双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式；单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步距角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算。式中N为转子齿数，Er为运行拍数机
10、器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动4.步进电动机的转矩特性图图5-17 5-17 步进电动机的转矩特性步进电动机的转矩特性 步进电动机的脉冲频率与其产生的转矩之间的关系就是步进电动机的转矩特性，如图5-17所示。步进电动机的牵入转矩(也叫启动转矩)用使处于静止状态的步进电动机突然起动，并能够以一定的转速旋转的负载转矩的极限值来表示。牵入转矩以内的区域称为自起动区域。机器人技术基础机器人技术基础二、步进电机驱动4.步进电动机的转矩特性 在步进电动机的转矩特性自起动区域以外，当保持输入脉冲的频率一定而逐渐增大负载转矩时，或保持负载转矩一定而使输入脉冲的频率逐渐提高时，将能够跟踪负载的转矩限值称为牵出转矩（pullout torque)。另外，步进电动机停止时的转矩称为保持转矩(holding torque)，这也是步进电动机所能产生的最大转矩。机器人技术基础机器人技术基础THE ENDTHANKS