第第五章机器人的控制基础_.pdf

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2008-6-181回顾第回顾第4章章2008-6-182机器人的动力学机器人的动力学4.2.4运动学、静力学、动力学的关系4.2.4运动学、静力学、动力学的关系1）静力学（Statics）定义：

静力学（Statics）定义：

如图4-5所示，在机器人的手爪接触环境时，手爪力F与驱动力的关系起重要作用，在静止状态下处理这种关系称为静力学。

12和2008-6-183机器人的动力学机器人的动力学4.2.4运动学、静力学、动力学的关系4.2.4运动学、静力学、动力学的关系2）动力学（Dynamics）定义：

动力学（Dynamics）定义：

如图4-5所示，在考虑控制时，就要考虑在机器人的动作中，关节驱动力会产生怎样的关节位置、关节速度、关节加速度，处理这种关系称为动力学。

对于动力学来说，除了与连杆长度Li有关之外，还与各连杆的质量mi,绕质心的惯性矩Ici,连杆的质量中心与关节轴的距离Lci有关，如果4-6所示。

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2008-6-184机器人的动力学机器人的动力学4.2.4运动学、静力学、动力学的关系4.2.4运动学、静力学、动力学的关系3）运动学、动力学、静力学关系：

运动学、动力学、静力学关系：

如图4-7所示。

图中用虚线表示的关系可通过实线关系的组合表示，这些也可作为动力学的问题来处理。

2008-6-185第第5章机器人的控制基础章机器人的控制基础5.1概述5.1概述52伺服电动机的原理与特性52伺服电动机的原理与特性53伺服电动机调速的原理53伺服电动机调速的原理54电动机驱动及其传递函数54电动机驱动及其传递函数2008-6-186第第5章机器人的控制基础章机器人的控制基础55单关节机器人的伺服系统建模与控制55单关节机器人的伺服系统建模与控制56交流伺服电动机的调速56交流伺服电动机的调速57机器人控制系统的硬件结构及接口57机器人控制系统的硬件结构及接口58机器人控制系统举例58机器人控制系统举例2008-6-1875.1概述概述5.1.1机器人控制系统的特点5.1.1机器人控制系统的特点1）机器人的控制与机构运动学及动力学相关2）机器人的每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调组成一个多变量系统3）机器人的控制系统必须是一个计算机控制系统，计算机软件担负着艰巨任务2008-6-1885.1概述概述5.1.1机器人控制系统的特点5.1.1机器人控制系统的特点4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合5）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题2008-6-1895.1概述概述5.1.1机器人控制系统的特点5.1.1机器人控制系统的特点总之，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。

2008-6-18105.1概述概述5.1.2机器人控制方式5.1.2机器人控制方式1）点位式：

机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要，比如：

在印刷电路板上安插元件、点焊、装配等。

2）连续轨迹式：

要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动，如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废，其控制方式类似于控制原理中的跟踪系统。

比如：

弧焊、喷漆、切割等。

2008-6-18115.1概述概述5.1.2机器人控制方式5.1.2机器人控制方式3）力（力矩）控制方式：

在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作。

该方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此系统中必须有力（力矩）传感器，有时也利用接近、滑动等传感器功能进行自适应式控制。

4）智能控制方式：

第8章会讲解。

2008-6-18125.1概述概述5.1.3机器人控制的基本单元5.1.3机器人控制的基本单元1）电动机2）减速器3）驱动电路4）运动特性检测传感器5）控制系统的硬件6）控制系统的软件2008-6-18135.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.1直流电动机的工作原理5.2.1直流电动机的工作原理1）直流电动机：

将直流电能转换为机械能。

2）交流电动机：

将交流电能转换为机械能。

3）步进电动机：

将脉冲步进电能转换为机械能。

2008-6-1814直流电动机的原理直流电动机的原理1）书上第60页图5-1所示。

2）直流电动机的演示视频。

2008-6-18155.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.2直流电动机的结构和额定值5.2.2直流电动机的结构和额定值1）直流电动机的结构：

书第61页图5-22）直流电动机的额定值a）额定功率b）额定电压c）额定电流d）额定转速。

2008-6-18165.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机1）伺服电动机：

又称为执行电动机，在机器人系统中作为运动驱动元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出，改变输入电压信号可以变更伺服电动机的转速和转向。

2）基本要求：

a）宽广的调速范围b）机械和调速特性均为线性c）快速响应d）无自转现象。

2008-6-18175.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机3）直流伺服电动机分为：

a）传统型：

微型的他励直流电动机，由定子、转子两部分组成，按定子磁极的种类分为两种，永磁式和电磁式。

b）低惯量型，特点是转子轻、转动惯量小、快速相应好。

按照电枢型式的不同分为盘形电枢直流伺服电动机、空心杯电枢永磁式直流伺服电动机等。

如图：

5-3，5-4所示。

2008-6-18185.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机4）直流伺服电动机最常用的控制方式：

电枢控制，即把电枢绕组作为控制绕组，电枢电压作为控制电压，而励磁电压恒定不变，通过改变控制电压来控制直流伺服电动机的运行状态。

2008-6-18195.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.3直流伺服电动机5.2.3直流伺服电动机5）在电枢控制方式下，直流伺服电动机的主要静态特性是：

a）机械特性b）调节特性2008-6-1820机械特性机械特性直流电动机的机械特性可用下式表达：

式中，n0表示电动机的理想空载转速，R表示电枢电阻，Ce表示直流电动机电动势结构常数，CT表示转矩结构常数，表示磁通，T表示转矩。

022TaTeTeTURRnnCCCCC=（51）2008-6-1821由式（5-1）可知，当Ua不同时，机械特性为一组平行直线，如图5-5a所示；当Ua一定时，随着转矩T的增加，转速n成正比下降。

随着控制电压Ua的降低，机械特性平行地向低速度、小转矩方向平移，其斜率保持不变。

2008-6-1822调节特性调节特性调节特性指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压变化的关系。

当T为不同值时，调节特性为一组平行直线，如图5-5b所示。

当T一定时，控制电压高则转速也高，转速的增加与控制电压的增加成正比，这是理想的调节特性。

2008-6-1823调节特性曲线与横坐标的交点（n=0），就表示在一定负载转矩时的电动机的始动电压。

在该转矩下，电动机的控制电压只有大于相应的始动电压时，电动机才能启动。

例如：

图5-5b,T=T1时，始动电压为U1，控制电压UaU1时，电动机方能启动。

2008-6-18245.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机1）直流伺服电动的缺点：

a）接触式换向器不但结构复杂、制造费时、价格昂贵，而且运行中容易产生火花，以及换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，需要经常维护检修b）对环境的要求比较高，不适用于化工、矿山等周围环境中有粉尘、腐蚀性气体和易爆易燃气体的场合。

2008-6-18255.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机2）交流伺服电动的优点：

a）结构简单、制造方便、价格低廉b）坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等。

2008-6-18265.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机3）交流伺服电动的基本要求：

a）宽广的调速范围b）机械和调速特性均为线性c）快速响应d）无自转现象2008-6-18275.2伺服电动机的原理与特性伺服电动机的原理与特性5.2.4交流伺服电动机5.2.4交流伺服电动机4）交流伺服电动的转子类型：

a）高电阻率导条的笼型转子b）非磁性空心杯转子c）铁磁性空心转子2008-6-18285.3伺服电动机调速的基本原理伺服电动机调速的基本原理5.3.1稳态精度5.3.1稳态精度1）转速变化率（静差率）2）调速精度3）稳速精度2008-6-1829转速变化率（静差率）转速变化率（静差率）指在电动机的某一条机械特性上（一般指额定状态）从理想空载到额定负载时的角速度降与理想空载的角速度之比，即：

000（%）100%100%s=（52）2008-6-1830由于实际中无法做到理想空载，故可以认为小于额定负载10%的负载即为空载。

转速变化率通常称为静差率，在异步电动机中又相当于转差率，显然，它与机械特性硬度有关，如果机械特性是直线，则有：

式中，机械特性硬度额定负载转矩000NNNMMsM1=（53）NMdMdd=NM2008-6-1831调速精度调速精度指调速装置或系统的给定角速度与带额定负载时的实际角速度之差与给定转速之比，即：

它标志着调速相对误差的大小，一般取可能出现的最大值作为指标。

（%）gg=（54）g2008-6-1832稳速精度稳速精度在规定的运行时间T内，以一定的间隔时间测量1s内的平均角速度，取出最大值和最小值，则稳速精度定义为最大角速度波动与平均转速之比，即：

如果机械特性为直线，且，则有：

maxminmaxmin（%）d=100%=100%（55）+max0min,N=maxminmaxmin000022NNNNNNMM=+（）Tmaxmin2008-6-18335.3伺服电动机调速的基本原理伺服电动机调速的基本原理5.3.2调速范围5.3.2调速范围指：

在满足稳态精度的要求下，电动机可能达到的最高角速度和最低角速度的比值，即：

maxminD=（56）2008-6-18345.4电动机的驱动及其传递函数电动机的驱动及其传递函数5.4.1传递函数5.4.1传递函数指：

某元件的输出信号和输入信号各自的拉普拉斯变换之比。

如图5-8所示，电动机的输入信号是v（t），输出信号是，将信号进行拉普拉斯变换，即把时间t的函数换成符号S为变量的函数，若变换定义为：

（）t0（）（）stVsvtedt=（58）2008-6-1835而将转速的拉普拉斯变换为：

由图可知，电动机的传递函数定义为：

（）t（）s0（）（t）9stsedt=（5）（）G（）10V（s）ss=（5）2008-6-18365.4电动机的驱动及其传递函数电动机的驱动及其传递函数5.4.2电动机的传递函数5.4.2电动机的传递函数1）从电动机轴到负载轴的传动比2）电压平衡方程3）折合到电动机上的总的等效惯性矩和等效摩擦系数4）力矩平衡方程5）耦合关系2008-6-18375.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.1开环控制系统和闭环控制系统5.5.1开环控制系统和闭环控制系统1）开环：

图5-122）闭环：

图5-132008-6-18385.5单关节机器人的伺服系统建模与控制单关节机器人的伺服系统建模与控制5.5.2模拟控制系统和数字控制系统5.5.2模拟控制系统和数字控制系统1）模拟控制系统：

传递的信号是时间的连续信号。

最早发展起来的控制系统，但当被控对象具有明显滞后特性时，该控制系统就不实用，易引起系统的不稳定。

2）数字控制系统：

传递的信号是时间的断续信号