機器人手臂驅動系統(tǒng)設計案例機器人手臂的電動驅動裝置從技術特性來說可以有多種形式，依據(jù)所采用的電動機不同而不同。在機器人中廣泛應用的是直流成套可調(diào)、直流隨動電驅動裝置，其中包括電動機、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)裝測速發(fā)電機、位移傳感器和電磁制動器等，除了直流驅動系統(tǒng)，還有交流電動機、步進電動機及成套電動裝置等。1.1機器人臂部電機選型通過各個電機產(chǎn)生的轉矩和力，直接或間接驅動機器人主體，來產(chǎn)生各種運動的執(zhí)行部件，這就是機器人的電動驅動系統(tǒng)。機器人手臂電機選擇的要求如下：（1）快速性當?shù)玫矫钚盘枙r，機器人再執(zhí)行命令，其中的工作時間很短，電機伺服系統(tǒng)的靈敏度與響應時間成反比。（2）啟動轉矩慣量比大機器人的自動伺服電機必須要有很大的初始轉矩和較小的慣性矩才能驅動負載。。（3）必須與控制信號近似，因為當控制信號的變化時，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、質量小、軸向尺寸短。圖2-10臂部關節(jié)電機驅動圖機器人驅動系統(tǒng)中使用的電機，可分為以下幾個類型：交流伺服電動機包括同步型交流伺服電機和步進電機等。直流伺服電動機包含慣性小的直流伺服電機、繞組直流伺服電機、慣性大的直流伺服電機和電樞直流伺服電機。（3）步進電動機含有感應式步進電動機。直流伺服電機的電刷容易磨損和產(chǎn)生火花，無刷DC電機也得到廣泛應用。步進電動機驅動多為開環(huán)控制，它的角位移量或線位移量與電脈沖成正比，電機的轉速與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就能夠實現(xiàn)電機轉速的調(diào)節(jié)，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。直流電機可以用旋轉軸的角位移或角速度輸出來代替輸入的電壓信號，如果要改變電機的轉速和旋轉方向，就改變控制電壓。所以被廣泛應用，具有以下優(yōu)點：（1）調(diào)速范圍廣根據(jù)調(diào)整電壓，直流電機轉速可以連續(xù)調(diào)節(jié)到很大范圍。（2）機械特性和調(diào)節(jié)性質都是線性的當控制電壓恒定時，直流電機的轉速隨著轉矩的變化而變化。當轉矩不變時，速度隨電壓的變化而線性調(diào)整。（3）沒有“自轉”現(xiàn)象，直流電機在控制電壓為零時，可以立即自動停止旋轉。（4）與步進電機相比，體積較小，容易獲得大功率。裝置運行前，應進行以下檢查：電源電壓是否適當（驅動模塊因過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，而是連接成最基本的系統(tǒng)。運行良好后，逐步連接它們。3）必須弄清楚接地方法，還是不通過浮動連接。4）裝置啟動后，電機運行的狀況應時刻注意，發(fā)現(xiàn)不正常情況立即停止。1.2PWM調(diào)速原理直流電機調(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機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速，這種方法實現(xiàn)簡單，但效率比較低，具有較軟的機械特性，不能得到較寬和較平滑的調(diào)速性能隨著電機技術的發(fā)展，特別是隨著全控制電力電子器件的出現(xiàn)，產(chǎn)生了一種直流電機調(diào)速系統(tǒng)，是由脈寬調(diào)制的高頻開關控制方式構成，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:（1）具有結構簡單的主電路，只需要很少的功率器件。（2）具有較高的開關頻率，電流容易連續(xù)，電機損耗和發(fā)熱小。（3）有良好的調(diào)速性能，較大的調(diào)節(jié)速度范圍，準確度高且穩(wěn)定。（4）如果配合快速響應電機，系統(tǒng)具有寬頻帶、快速動態(tài)響應和強動態(tài)抗擾性。（5）直流電源是不可控整流時，整流器的功率低于電網(wǎng)?；谝陨蟽?yōu)點，選擇PWM調(diào)速控制方式。脈寬調(diào)制控制主要由脈寬調(diào)制轉換器控制，其主要功能是通過脈寬調(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調(diào)節(jié)電機的轉速。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，電流只向一個方向流動，容易發(fā)生電流中斷，不發(fā)生制動作用；后者增加了電力電子器件，兩個器件交替導通，可以產(chǎn)生相反方向的制動電流，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動信號的不同，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:1）電流一定連續(xù)；2）可使電動機在四象限運行；3）當電機結束工作時，會產(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，各開關設備的驅動脈沖還很寬，有利于確保設備的可靠導通。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)電動機轉速。調(diào)速時，的可調(diào)范圍為，當時，電動機正向轉動；當時，電動機反向轉動；當時，電動機停止。但是，由于電機停止時的電樞電壓不是零，而是正負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，雙極型控制的缺點是不產(chǎn)生平均轉矩，白白增大電動機的損失，但是，它也有優(yōu)點。即使電機結束運行，也會有高頻振動電流通過，這樣就可以消除正反兩面的靜摩擦部分REF_Ref27313\r\h【27】。1.3L298N原理及控制考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素，采用L298N來代替三極管所構成的驅動電路。該芯片的主要特點是工作電壓高、輸出電流大、瞬時峰值電流高達3A、工作電流連續(xù)2A、高壓大電流兩個H橋全橋驅動器，可用于驅動感應負載，如直流電機、步進電機、繼電器、線圈等。它由標準TL邏輯電平信號控制，并有兩個使能控制端子，允許或禁止設備工作，而不受輸入信號的影響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，外置檢測電阻，將變化量反饋到控制電路，L298N的內(nèi)部結構如圖2-12所示。圖2-12L298N內(nèi)部結構圖從上圖可以看出，IN1~IN4輸入引腳為標準TTL邏輯電平信號，用來控制H橋的開關，即實現(xiàn)電機的正反旋轉；ENA、ENB引腳則為使能控制端，當ENA、ENB處于高電平時，它們正常工作，低電平時不工作，SENSEA和SENSEB還可以用來連接電阻來檢測電流REF