機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u28423機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1222301.1機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)的基本要求 12740（1）機(jī)械臂要有承載足夠的負(fù)荷能力以及高剛度 126535（2）導(dǎo)向性要好 130682為了防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，確保手的正確方向，需要安裝導(dǎo)向裝置或設(shè)計(jì)四邊形和花鍵形式的臂桿。一般應(yīng)根據(jù)載荷大小、臂長(zhǎng)、行程、安裝形式等因素選擇導(dǎo)向裝置的具體結(jié)構(gòu)形式。 124591（4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 1294881.2機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)原則 221501機(jī)器人的潛在性能是由手臂自由度決定的。如果沒有設(shè)置足夠的自由度，機(jī)器人的動(dòng)作會(huì)表現(xiàn)得不自然，因此，要盡可能設(shè)置適當(dāng)?shù)淖杂啥取?2109401.3機(jī)械臂的控制系統(tǒng) 292131.3.1臂部節(jié)點(diǎn)硬件需求分析 2176431.3.3控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 4277751.3.4控制系統(tǒng)特點(diǎn) 713741.4機(jī)器人手臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 7163481.4.1機(jī)器人臂部電機(jī)選型 895361.4.3L298N原理及控制 102538參考文獻(xiàn) 121.1機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、操控的自由度、行動(dòng)精度等因素來(lái)確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)必須考慮臂的受力、液壓(氣動(dòng))缸和導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管道與手腕的連接形式。因此，手臂的設(shè)計(jì)時(shí)通常需要注意以下要求：（1）機(jī)械臂要有承載足夠的負(fù)荷能力以及高剛度手臂相當(dāng)于工作中的懸臂梁。如果剛度差，會(huì)引起其在垂直面內(nèi)的彎曲變形和側(cè)方扭曲變形，由此，手臂會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，影響手臂在工作中所能承受的載荷的大小、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)速度、定位精度等，導(dǎo)致不能工作。其彎曲剛度較大，空心軸的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)大于實(shí)心軸，因此，支撐板常用手型鋼，臂桿和導(dǎo)桿用鋼管制成REF_Ref26464\r\h【21】。（2）導(dǎo)向性要好為了防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，確保手的正確方向，需要安裝導(dǎo)向裝置或設(shè)計(jì)四邊形和花鍵形式的臂桿。一般應(yīng)根據(jù)載荷大小、臂長(zhǎng)、行程、安裝形式等因素選擇導(dǎo)向裝置的具體結(jié)構(gòu)形式。另外要注意減小不平衡力矩，不平衡力矩太大，抬起時(shí)很容易卡住或滑動(dòng)手臂，因此注意減小不平衡力矩。通以下方法可以減少或消除不平衡力矩：使手臂重心盡可能靠近立柱中心；采用配重。（4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)是重復(fù)定位精度與穩(wěn)定性，影響這些指標(biāo)的主要方面有：慣性沖擊；定位方法；結(jié)構(gòu)剛度；控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。臂移動(dòng)速度越快，由于慣性，放置前的沖擊就越大，不僅動(dòng)作不穩(wěn)定，定位精度也會(huì)變差。因此，除了實(shí)現(xiàn)臂部的緊湊化、輕量化之外，還必須采取一定的緩沖措施。1.2機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)原則（1）經(jīng)濟(jì)性機(jī)器人的手臂為了實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單的動(dòng)作，要求成本低、功能簡(jiǎn)單，因此需要在穩(wěn)定其性能的基礎(chǔ)上，采用低成本的材料和零件。（2）可靠性一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的動(dòng)作強(qiáng)度較大，所以機(jī)器人控制系統(tǒng)的質(zhì)量很高。（3）易維護(hù)性為了減少零部件種類，機(jī)械上經(jīng)常采用模塊化設(shè)計(jì)方法。1.1.1機(jī)器人手臂自由度確定和關(guān)節(jié)設(shè)置機(jī)器人的潛在性能是由手臂自由度決定的。如果沒有設(shè)置足夠的自由度，機(jī)器人的動(dòng)作會(huì)表現(xiàn)得不自然，因此，要盡可能設(shè)置適當(dāng)?shù)淖杂啥?。圖2-1機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)自由度示意圖如圖2-1為機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)自由度示意圖，讓人體所在坐標(biāo)系的x軸指向人的前方，左側(cè)指向的是y軸，垂直向上指向的是z軸。肩膀有兩個(gè)自由度，手臂圍繞x軸旋轉(zhuǎn)以向外抬起，手臂圍繞y軸旋轉(zhuǎn)以前后擺動(dòng)。肘部有兩個(gè)自由度，為了使下臂作用于上臂，設(shè)置繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使上下臂可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。手臂的自由度可以左右擺動(dòng)REF_Ref26725\r\h【20】。1.3機(jī)械臂的控制系統(tǒng)1.3.1臂部節(jié)點(diǎn)硬件需求分析直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人手臂執(zhí)行的動(dòng)力，當(dāng)整個(gè)控制系統(tǒng)只采用位置閉環(huán)仍不能滿足要求時(shí)，控制節(jié)點(diǎn)的首要任務(wù)是與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接，完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，以便更好地實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的位置閉環(huán)控制。與單個(gè)電機(jī)控制器不同，搭載在機(jī)器人上的電機(jī)控制器不僅要完成自身的閉環(huán)控制任務(wù)，還必須與其他控制器協(xié)調(diào)動(dòng)作，因此需要多個(gè)電機(jī)控制器構(gòu)成一個(gè)“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的控制節(jié)點(diǎn)必須在統(tǒng)一命令下協(xié)調(diào)移動(dòng)因此，控制節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)功能是完成與大腦的信息交互，接受大腦的控制指令，回到關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)。手臂控制節(jié)點(diǎn)和DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路只能根據(jù)整體空間規(guī)劃直接安裝在機(jī)器人的手臂上。在移除由電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)占據(jù)的空間之后，控制電路和驅(qū)動(dòng)電路剩下的空間極其有限，在手臂上安裝電路板后，電源線和信號(hào)線有足夠的空間，因此，臂部控制節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)以在確保性能的同時(shí)，盡可能減小基板的面積，盡可能減小空間布線的難度為原則。減少控制電路板占用空間的一個(gè)好方法是使用一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)來(lái)控制多個(gè)電機(jī)。然而，對(duì)所采用的控制芯片的軟硬件資源的要求增加了很多。在硬件上，控制芯片需要足夠的I/O資源來(lái)控制多個(gè)電機(jī)。在軟件上，控制節(jié)點(diǎn)不是孤立的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，它需要與機(jī)器的大腦實(shí)時(shí)交互，根據(jù)大腦的指令調(diào)整控制策略，保證機(jī)器人全身運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)。同時(shí)，控制芯片的運(yùn)算速度必須足夠快，完成多個(gè)電機(jī)的控制算法。各電機(jī)的控制需要多條信號(hào)線，如果控制節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離電機(jī)，接線問(wèn)題會(huì)給系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)帶來(lái)很多問(wèn)題，如果各控制節(jié)點(diǎn)控制一個(gè)電機(jī)，將控制節(jié)點(diǎn)安裝在電機(jī)附近所需的接線最小，則用一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)控制一個(gè)關(guān)節(jié)上的兩個(gè)電機(jī)，可以節(jié)省空間，減少接線。圖2-2機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖1.3.2控制系統(tǒng)的要求（1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到外在作用后，恢復(fù)其動(dòng)態(tài)過(guò)程振動(dòng)趨勢(shì)和平衡的能力，據(jù)悉，如果干擾作用于系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出量將偏離其穩(wěn)定值，此時(shí)如果系統(tǒng)有可能因反饋系統(tǒng)而恢復(fù)或接近原始值，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（2）高速性高速性是指系統(tǒng)輸出偏離規(guī)定輸入時(shí)，系統(tǒng)消除偏差的速度。（3）準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是指轉(zhuǎn)換過(guò)程后輸出與給定輸入之間的偏差，也稱為靜態(tài)偏差或穩(wěn)態(tài)誤差，它也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。上述三個(gè)指標(biāo)是控制系統(tǒng)的基本要求，即要求系統(tǒng)“穩(wěn)定、高速、準(zhǔn)確”。但是，這些參數(shù)通常需要在同一系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生沖突。這需要根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)目標(biāo)和指標(biāo)要求注意其中的一些指標(biāo)，也需要注意總體協(xié)調(diào)。1.3.3控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（1）按控制方式分類1）集中控制系統(tǒng)在基于PC機(jī)的集中控制系統(tǒng)中，通過(guò)PC機(jī)資源的包容性，能夠完成優(yōu)良的開放性。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或標(biāo)準(zhǔn)串口和并口，將各種控制卡和傳感器設(shè)備集成到控制系統(tǒng)中。集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是硬件成本低，易于信息采集和分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，具有良好的完整性和協(xié)調(diào)性，擴(kuò)展了基于PC的系統(tǒng)硬件REF_Ref27049\r\h【12】。它也有很多缺點(diǎn)，如系統(tǒng)控制過(guò)程不敏捷，容易發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)故障，后果會(huì)變得嚴(yán)重；由于工業(yè)機(jī)器人的高實(shí)時(shí)性要求，在計(jì)算大量數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)下降，系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的響應(yīng)性也會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性發(fā)生沖突。而且，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性不高。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。圖2-3集中控制系統(tǒng)框圖2）主從控制系統(tǒng)主控制器件部分用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和自我診斷以及所有關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制，其構(gòu)成框圖如圖2-4所示。主從控制系統(tǒng)可提供更好的實(shí)時(shí)性能，以實(shí)現(xiàn)高精度、高速的控制，但系統(tǒng)可擴(kuò)展性和維護(hù)問(wèn)題較低。圖2-4主從控制系統(tǒng)框圖3）分布式控制系統(tǒng)由系統(tǒng)的性質(zhì)和模式，可以將系統(tǒng)管理分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊有不同的控制任務(wù)，每種模式可以是主從或?qū)Φ鹊?。這種方法具有較好的實(shí)時(shí)性，容易控制速度高、精度高的系統(tǒng)，擴(kuò)展性能強(qiáng)，是現(xiàn)在常用的方式。其控制框圖如圖2-5所示。主要策略是“分散控制、集中處理”，系統(tǒng)可以綜合協(xié)調(diào)分配其整體目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行的程度，在功能、邏輯和物理上，整個(gè)系統(tǒng)是分散的，因此，集散控制系統(tǒng)也被稱為分布式控制系統(tǒng)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，控制器和不同的被控對(duì)象或設(shè)備組成了子系統(tǒng)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互連接。分布式控制體系組成了一個(gè)包容、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的機(jī)器人控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)廣泛采用兩級(jí)控制模式。圖2-5分布式控制系統(tǒng)框圖分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)具有高靈活度，這就能降低控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。多處理器分散控制有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的管理效率，降低響應(yīng)時(shí)間。（2）按有無(wú)反饋分類根據(jù)有無(wú)反饋分類，控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。1）開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是系統(tǒng)通道不存在反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，如圖2-6所示，此系統(tǒng)僅受輸人量、控制量和控制對(duì)象影響；單向傳輸信號(hào)，輸出在整個(gè)控制過(guò)程中不會(huì)影響系統(tǒng)的控制，所以沒有抗干擾能力。開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)易、穩(wěn)定。開環(huán)控制系統(tǒng)的部件特性穩(wěn)定且噪聲小時(shí)，可以保持一定的準(zhǔn)確度。它的缺點(diǎn)是控制精度較低，對(duì)系統(tǒng)的干擾無(wú)自動(dòng)調(diào)整能力。圖2-6開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖2）閉環(huán)控制系統(tǒng)帶有反饋回路的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的輸出和輸入之間有反饋電路，輸出會(huì)直接影響控制。如圖2-7所示，輸出端和輸入端之間有反饋電路，作為反饋檢測(cè)的一部分，系統(tǒng)由偏差控制，所以具有抗干擾的能力。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)外部擾動(dòng)和參數(shù)變化不敏感，精度高，不管出現(xiàn)什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來(lái)減小這一偏差。它的缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能分析與設(shè)計(jì)比較困難，存在穩(wěn)定、超調(diào)和振蕩等問(wèn)題。圖2-7閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖3）復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上附加一個(gè)輸人信號(hào)或動(dòng)作用的順饋通路，可以提高系統(tǒng)的控制精度。如圖2-8所示，它是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)。圖2-8復(fù)合控制系統(tǒng)示意圖（3）按系統(tǒng)線性特征分類根據(jù)系統(tǒng)的線性特性，控制系統(tǒng)可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。1）線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的輸入輸出都呈線性關(guān)系，滿足疊加定理和齊次性原理的控制系統(tǒng)。2）非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中至少有一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出呈非線性關(guān)系，不滿足疊加定理和齊次性原理的控制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)一般存在死區(qū)、間隙和飽和特性。一個(gè)典型的機(jī)械臂控制系統(tǒng)，主要由上位計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成，如圖2-9所示。圖2-9機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)（1）上位計(jì)算機(jī)上位計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理，以及實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)特性的計(jì)算、各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)、軌跡規(guī)劃和機(jī)器人與外界環(huán)境的信息交換等功能，協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。（2）運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器主要負(fù)責(zé)上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理和伺服反饋，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給驅(qū)動(dòng)器。這樣來(lái)控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)器件，由此得到機(jī)器人內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)。（3）驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是用于控制電動(dòng)機(jī)的控制器，變頻器作用于普通交流電動(dòng)機(jī)，是伺服系統(tǒng)的一部分，用于控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性。（4）電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)是一種數(shù)字化控制的電動(dòng)機(jī)，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，用于機(jī)器人機(jī)械臂的定位控制。（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)的工作裝置稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（6）反饋裝置反饋裝置即檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)信號(hào)偏差及對(duì)象特性的變化，并依此來(lái)控制機(jī)器人系統(tǒng)行為及消除誤差。1.3.4控制系統(tǒng)特點(diǎn)（1）與裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)聯(lián)系密切因?yàn)闄C(jī)器人手臂的定位可以用坐標(biāo)系來(lái)表示，所以需要選擇不同的參考坐標(biāo)系進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。（2）多變量控制一個(gè)機(jī)器臂通常具有3個(gè)以上自由度，而比較復(fù)雜的機(jī)器人(如雙臂機(jī)器人)甚至有十幾個(gè)自由度，每個(gè)自由度通常包括一個(gè)伺服系統(tǒng)。它們還必須能夠保持協(xié)調(diào)，從而形成了一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。（3）計(jì)算機(jī)控制控制系統(tǒng)必須是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，這樣才能讓多個(gè)單獨(dú)的伺服系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)，準(zhǔn)確執(zhí)行操控指令，讓機(jī)器人智能化。耦合非線性控制描繪機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是非線性模型。其參數(shù)隨著狀態(tài)的不同和外部環(huán)境的變化而變化，變量之間依然存在耦合。所以不僅要依靠位置閉環(huán)，還要用速度閉環(huán)和加速度閉環(huán)。重力補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)控制這幾種方法都是經(jīng)常使用的。1.4機(jī)器人手臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人手臂的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置從技術(shù)特性來(lái)說(shuō)可以有多種形式，依據(jù)所采用的電動(dòng)機(jī)不同而不同。在機(jī)器人中廣泛應(yīng)用的是直流成套可調(diào)、直流隨動(dòng)電驅(qū)動(dòng)裝置，其中包括電動(dòng)機(jī)、變換器、變換器控制裝置、電源電力變壓器、電樞電路的扼流線圈，還有內(nèi)裝測(cè)速發(fā)電機(jī)、位移傳感器和電磁制動(dòng)器等，除了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還有交流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及成套電動(dòng)裝置等。1.4.1機(jī)器人臂部電機(jī)選型通過(guò)各個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和力，直接或間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人主體，來(lái)產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，這就是機(jī)器人的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)器人手臂電機(jī)選擇的要求如下：（1）快速性當(dāng)?shù)玫矫钚盘?hào)時(shí)，機(jī)器人再執(zhí)行命令，其中的工作時(shí)間很短，電機(jī)伺服系統(tǒng)的靈敏度與響應(yīng)時(shí)間成反比。（2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大機(jī)器人的自動(dòng)伺服電機(jī)必須要有很大的初始轉(zhuǎn)矩和較小的慣性矩才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載。。（3）必須與控制信號(hào)近似，因?yàn)楫?dāng)控制信號(hào)的變化時(shí)，控制特性的連續(xù)性和線性也不斷變化。（4）調(diào)速范圍寬能使用于1:1000~10000的調(diào)速范圍。（5）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。圖2-10臂部關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的電機(jī)，可分為以下幾個(gè)類型：交流伺服電動(dòng)機(jī)包括同步型交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。直流伺服電動(dòng)機(jī)包含慣性小的直流伺服電機(jī)、繞組直流伺服電機(jī)、慣性大的直流伺服電機(jī)和電樞直流伺服電機(jī)。（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)含有感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。直流伺服電機(jī)的電刷容易磨損和產(chǎn)生火花，無(wú)刷DC電機(jī)也得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，它的角位移量或線位移量與電脈沖成正比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率的高低就能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流電機(jī)可以用旋轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出來(lái)代替輸入的電壓信號(hào)，如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，就改變控制電壓。所以被廣泛應(yīng)用，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速范圍廣根據(jù)調(diào)整電壓，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)到很大范圍。（2）機(jī)械特性和調(diào)節(jié)性質(zhì)都是線性的當(dāng)控制電壓恒定時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，速度隨電壓的變化而線性調(diào)整。（3）沒有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，直流電機(jī)在控制電壓為零時(shí)，可以立即自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn)。（4）與步進(jìn)電機(jī)相比，體積較小，容易獲得大功率。裝置運(yùn)行前，應(yīng)進(jìn)行以下檢查：電源電壓是否適當(dāng)（驅(qū)動(dòng)模塊因過(guò)電壓而損壞的可能性高）；2）不要把一開始需要連接的電線全部連接起來(lái)，而是連接成最基本的系統(tǒng)。運(yùn)行良好后，逐步連接它們。3）必須弄清楚接地方法，還是不通過(guò)浮動(dòng)連接。4）裝置啟動(dòng)后，電機(jī)運(yùn)行的狀況應(yīng)時(shí)刻注意，發(fā)現(xiàn)不正常情況立即停止。1.4.2PWM調(diào)速原理直流電機(jī)調(diào)速控制多為電樞電壓控制法，它最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但效率比較低，具有較軟的機(jī)械特性，不能得到較寬和較平滑的調(diào)速性能隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著全控制電力電子器件的出現(xiàn)，產(chǎn)生了一種直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，是由脈寬調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式構(gòu)成，也就是PWM調(diào)速系統(tǒng)。與其他系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在許多方面有很大的優(yōu)勢(shì):（1）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的主電路，只需要很少的功率器件。（2）具有較高的開關(guān)頻率，電流容易連續(xù)，電機(jī)損耗和發(fā)熱小。（3）有良好的調(diào)速性能，較大的調(diào)節(jié)速度范圍，準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定。（4）如果配合快速響應(yīng)電機(jī)，系統(tǒng)具有寬頻帶、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和強(qiáng)動(dòng)態(tài)抗擾性。（5）直流電源是不可控整流時(shí)，整流器的功率低于電網(wǎng)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，選擇PWM調(diào)速控制方式。脈寬調(diào)制控制主要由脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器控制，其主要功能是通過(guò)脈寬調(diào)節(jié)將恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率可變、寬度固定的脈沖電壓序列，改變平均輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路形式有不可逆和可逆兩種，不可逆PWM變換器有有限方式和非限制式兩種。前者只使用一種電力電子器件，電流只向一個(gè)方向流動(dòng)，容易發(fā)生電流中斷，不發(fā)生制動(dòng)作用；后者增加了電力電子器件，兩個(gè)器件交替導(dǎo)通，可以產(chǎn)生相反方向的制動(dòng)電流，并且可以保持電流的連續(xù)；可逆PWM變換器可以分為H型和T型，H是主要形式REF_Ref27313\r\h【27】。在H型電路中，由于電力電子器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同，可分為雙極型、單極型和有限單極型。其中，雙極型PWM變換器是最常用的，它主要有以下優(yōu)點(diǎn):1）電流一定連續(xù)；2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；3）當(dāng)電機(jī)結(jié)束工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很小的電流，這樣能夠消除靜摩擦部分；4）在低速的情況下，各開關(guān)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)脈沖還很寬，有利于確保設(shè)備的可靠導(dǎo)通。圖2-11H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路雙極式控制可逆PWM變換器的平均輸出電壓為：（2-1）可以看出，改變PWM變換器的占空比即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為，當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。但是，由于電機(jī)停止時(shí)的電樞電壓不是零，而是正負(fù)脈沖寬度相等的交變脈沖電壓，因此電流也交變，該交變電流的平均值為零，雙極型控制的缺點(diǎn)是不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，白白增大電動(dòng)機(jī)的損失，但是，它也有優(yōu)點(diǎn)。即使電機(jī)結(jié)束運(yùn)行，也會(huì)有高頻振動(dòng)電流通過(guò)，這樣就可以消除正反兩面的靜摩擦部分REF_Ref27313\r\h【27】。1.4.3L298N原理及控制考慮到電壓、電流的等級(jí)及尺寸、外觀等因素，采用L298N來(lái)代替三極管所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高、輸出電流大、瞬時(shí)峰值電流高達(dá)3A、工作電流連續(xù)2A、高壓大電流兩個(gè)H橋全橋驅(qū)動(dòng)器，可用于驅(qū)動(dòng)感應(yīng)負(fù)載，如直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、繼電器、線圈等。它由標(biāo)準(zhǔn)TL邏輯電平信號(hào)控制，并有兩個(gè)使能控制端子，允許或禁止設(shè)備工作，而不受輸入信號(hào)的影響REF_Ref27685\r\h【25】。有邏輯電源的輸入端子，可以在低電壓下工作內(nèi)部邏輯電路部分，外置檢測(cè)電阻，將變化量反饋到控制電路，L298N的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。圖2-12L298N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖從上圖可以看出，IN1~IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開關(guān)，即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反旋轉(zhuǎn)；ENA、ENB引腳則為使能控制端，當(dāng)ENA、ENB處于高電平時(shí)，它們正常工作，低電平時(shí)不工作，SENSEA和SENSEB還可以用來(lái)連接電阻來(lái)檢測(cè)電流REF_Ref31865\r\h【10】。是信號(hào)的輸出端，用于控制電機(jī)VSS接芯片電源電壓，一般接5V電壓，VS為驅(qū)動(dòng)電壓接口，驅(qū)動(dòng)電壓可以達(dá)到50V，L298N是雙極性控制方式，脈寬調(diào)制信號(hào)是通過(guò)引腳ENA、ENB輸入的，根據(jù)PWM控制信號(hào)的占空比來(lái)確定直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。1.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)使用一個(gè)L298N芯片控制機(jī)器人手臂，一個(gè)臂部節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)直流電機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路如圖2-13所示。圖2-13電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PWM4，PWM6是電機(jī)控制的使能端，分別與ENA和ENB相連接；P0.22、P0.23、P0.24和P0.25分別和四個(gè)輸入端IN1、IN2、IN3、IN4相連接。其中SENA和SENB通過(guò)1歐姆的電阻接地，作為電流反饋引腳，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制；L298N的四個(gè)輸出管腳0UT1、0UT2、OUT3、0UT4分別和臂部控制節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)直流電機(jī)相連。LPC2214輸出PWM波來(lái)控制L298N的輸出REF_Ref27973\r\h【14】。1.6臂部電機(jī)測(cè)速模塊光電旋轉(zhuǎn)式編碼器是一種高精度的角位移傳感器，直接用于角位移和角速度的測(cè)量，間接用于直線位移和直線速度的測(cè)量，常用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等高精度控制系統(tǒng)REF_Ref31986\r\h【26】。作為一種檢測(cè)元件與電機(jī)相連。絕對(duì)編碼器通常用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度，如果需要轉(zhuǎn)速信號(hào)，旋轉(zhuǎn)角度必須微分。編碼器在盤子上平均地刻上一定數(shù)量的表格，碼盤隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。其原理示意圖如圖2-14所示。圖2-14光電編碼器原理示意圖以上脈沖序列正確反映了轉(zhuǎn)速，但無(wú)法區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向。為了獲得旋轉(zhuǎn)速度的方向，可以增加一對(duì)光發(fā)射和接收裝置，使兩對(duì)光發(fā)射和接收裝置錯(cuò)開四分之一光柵間距，然后光電旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是相差90度的兩相方波信號(hào)。編碼器檢測(cè)到的位移可以通過(guò)精確測(cè)量A、B兩相脈沖信號(hào)的輸出脈沖數(shù)來(lái)獲得。本系統(tǒng)利用LPC2214的外部中斷接口測(cè)量電機(jī)速度。利用外部中斷接口EINT0~EINT3對(duì)光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。由于光電旋轉(zhuǎn)編碼器集成了解碼電路，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行了處理，所以可以直接和處理器的引腳相連。編碼器產(chǎn)生的兩路規(guī)則的正交脈沖信號(hào)，一組為和分別與LPC2214的EINTO和EINT1相連，另一組為和分別和LPC2214的EINT2和EINT3相連REF_Ref31212\r\h【19】。參考文獻(xiàn)柳洪義.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002,10-13.KorayemMH,GharibluH,BasuA.OptimalLoadofElasticJointMobileManipulatorsImposinganOverturningStabilityConstraint[J].Theinternaljournalofadvancedmanufacturetechnology.2005.26:638-644.伍筱菁.柔性臂建模與控制方法研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(12)：41-43159.戴學(xué)豐，孫立寧，劉品寬，蔡鶴皋.柔性臂機(jī)器人控制算法綜述[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).2002,6(2):158-161.NaKamuraM,GotoS,etal.Optimumcontouringofindustrialrobotarmsunderassignedvelocityandtorquecongstrants[J],Systems,ApplicationsandReviews,IEEETransactionson,2001,31(2):159-16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