永磁直流有刷电机

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驱动器及电源
刘春山
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目录
1. 驱动、传动简介
2. 电、气驱动详解
3. 电源系统
1、驱动、传动简介
上层
工控机、计算机、
PLC、ARM等,核心
算法层
通信
支撑
机械结构
底层
视觉
姿态感知
控制系统硬件
机器人系统框架
运动控制
1、驱动、传动简介
传动技术

齿轮、齿条

带轮

凸轮

涡轮

链条
推荐书籍:《机械制造工程基础》——【德】约瑟夫.迪林格等
1、驱动、传动简介
传动技术
齿轮传动:旋转运动,精度高
齿条传动:直线运动,精度高
皮带传动:旋转运动,精度低,冲击小
凸轮传动:往复运动,顺序动作
蜗轮蜗杆传动:变比大,精度高
螺杆传动:往复运动,精度高
链条传动:精度低,结构简单
1、驱动、传动简介
驱动技术
液压
气动
电气
其他 :机械驱动、电磁驱动、智能驱动器等
推荐书籍:《机器人技术及其应用》——张福学
2、电/气驱动——电驱
小型电机
分类
电机选型
电机驱动
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机
四
种
小
型
电
机
永磁直流无刷电机
步进电机
舵机
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机
由永磁铁、电机转子、电刷、电机外壳组成,其中转子由绕组和换向器构成。
永磁铁:具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁,一经磁化即能保持恒定磁性
的材料。近年来,在制造电机永磁铁的材料中,稀土永磁材料得到了广泛的
应用。其中以钕铁硼(Nd2Fe14B)为代表的第三代磁铁,其本身磁力是自
身重量的640倍,即能吸起自身重量640倍的铁。钕铁硼具有极高的磁能积,
同时能量密度极高。
转子由电刷和换向器构成。
电刷常用两种材料:石墨(碳刷)、稀有金属。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——电刷
• 石墨电刷适用于大电流载荷、频繁启停、需要反向动作的场合,能承
受更高的转子温度。
• 稀有金属电刷导电性极好。电刷上损耗不大,但耐磨性差,导致电机
寿命低。由于刷片薄,也不能承受大电流。常用于微型电机。(四驱
车)
• 电刷和换向器的耗损主要由电火花(弧光放电)造成,可以在电机的
两个引出线之间接电容来减小电火花。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——转子
• 转子:有铁芯转子、无铁芯转子(空心杯)
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——转子
• 转子:有铁芯转子、无铁芯转子(空心杯)
2、电/气驱动——电驱
直流电机等效电路
启动特性
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
a. 转向控制
• 继电器
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
a. 转向控制
• H桥
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
b. 调速控制
• 分压、分流调速(电阻调速)
– 基本规律:一、电压和转速成正比例关系,二、电流和转矩成正比例关系。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
b. 调速控制
• PWM调速
– 基本规律:PWM技术通过调节占空比实现对模拟电压大小的调节。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
c. 控制芯片——L293B(芯片datasheet网站:http://www.alldatasheet.com/)
 2组H桥、4.5~36V、1A
 二极管为了防止感应电动势对芯片的损坏。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
c. 控制芯片——L298N
 2组H桥,6~46V,2A,过热自动关断、电流反馈检测。
 发热较严重,需增加散热片。
 注:3.3V电平可能有问题,解决办法,加光耦。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
c. 控制芯片——LMD18200单电机驱动芯片
 55V,3A,过热自动关断、电流反馈检测
 注意事项:新的芯片超级贵,一般淘宝都是拆机件
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——驱动控制
c. 控制芯片——2998双H桥集成芯片
 50V,2A,过热自动关断,电流反馈检测
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服控制
• 伺服系统(servomechanism)又称随动系统,是用来精确地跟随或
复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态
等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制
系统。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服控制
位置环(外环)
电流环(内环)
伺服控制系统框图
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服控制
全数字伺服系统结构
基于8051的全数字伺服系统结构
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服PID控制
PID控制系统原理
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服PID控制
• 比例控制
– 对偏差迅速做出反应;Kp越大,控制作用越强;但是容易产生振荡。
• 积分控制
– 将误差累计后输出;只要有误差存在,积分环节就会的输出就会
不断变大,知道误差为0。因此,积分控制可以消除稳态误差;但
是使得到达稳态的时间变长,限制系统的快速性。
• 微分控制
– 根据偏差变化的趋势进行控制;有助于减少超调量,克服振荡,
加快跟踪速度;但是对输入信号的噪声敏感,不适合噪声较大的
场合。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服PID控制
• PID参数的整定
• 模型已知,则通过系统辨识获取。
• 模型未知,则实验法。
– 过渡过程响应法
– 临界稳定测量法
2、电/气驱动——电驱
永磁直流有刷电机——伺服PID控制
• 多轴控制
– 轨迹插补(直线、圆弧、贝塞尔)
– 运动规划(雅克比矩阵、解耦)
控制卡:
• 国外:MEI, PMAC, ACS, Aerotech, Galil, Trio, Baldor, Parker。
• 国内:固高,乐创,雷塞,凌华,研华,众为兴,维宏。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流无刷电机——内转子
2、电/气驱动——电驱
永磁直流无刷电机——外转子
• 一般航模用得比较多,价格较内转子便宜一些
2、电/气驱动——电驱
永磁直流无刷电机——外转子
2、电/气驱动——电驱
永磁直流无刷电机——控制
• 无感无刷电机:电子调速器(航模电调)
• 无刷电子调速器是利用微控制器,通过对场效应管通断的控制达到信
号的控制与调节,实现无刷电机转速的调控。电子调速器植入了抵抗
干扰的调理和滤波模块电路,使无刷电机的调速变得更平稳。
2、电/气驱动——电驱
永磁直流无刷电机——控制
• 无刷电子调速器三根输出线分别连接到无刷电机的U、V、W三相,两
根电源线分别连接锂聚合物电池的正负极,一根PWM信号线与主控电
路相连。主控芯片提供占空比为0%—100%的PWM信号即可实现直流无
刷电机的全范围调速(注:实际使用中可能到达某个占空比才开始转
动,建议用信号发生器来调试)。变换U、V、W三相的相序即可实现
航模无刷电机的换向。
2、电/气驱动——电驱
步进电机
• 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
• 在不超过额定载荷的范围内,上电自锁,电机的转速、停止的位置只
取决于脉冲信号的频率和脉冲数,控制方便。
• 只有周期性误差而无累积误差。
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本特点
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
易于启动、停止、正反转变化和变速响应性好
脉冲数字控制转动角度精确,无累积误差
和MCU之间有很好的兼容性
无换向器,可靠性高,寿命长
停止驱动可保持一定转矩
驱动能力弱,能源利用率低
超负荷运行容易失步
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
• 相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数
• 拍数:电机转过一个齿距角所需脉冲数
• 步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移
• 步数:步进电机转动一周所需要的行进次数
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
单三拍:A-B-C-A(整步)
双三拍:AB-BC-CA-AB(整步)
单双六拍:A-AB-B-BC-C-CA-A(半步)
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
• 单三拍
• 双三拍
• 单双六拍
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
• 单三拍三相步进电机步进过程
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
• 双三拍三相步进电机步进过程
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
• 六拍三相步进电机步进过程
2、电/气驱动——电驱
步进电机——基本参数
• 三种驱动方式:
整步驱动:一个脉冲一个步距角
半步驱动:一个脉冲半个步距角
细分驱动:一个脉冲1/8,1/16个步距角,正弦、余弦电流细分。
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
a. 单片机引脚实现控制时序,信号经三级管(达林顿管)
放大驱动步进电机。
• ULN2003和ULN2004
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
a. 单片机引脚实现控制时序,信号经三级管(达林顿管)
放大驱动步进电机。
• UDN2540和UDN2544
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
a. 单片机引脚实现控制时序,信号经三级管(达林顿管)
放大驱动步进电机。
• 2803: 350mA、95V
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
b. 芯片内部实现控制时序,MCU只提供脉冲、方向、控制
方式(整步、半步、细分)
• UCN5804单极性: 35V、1A,单、双、半拍。
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
b. 芯片内部实现控制时序,MCU只提供脉冲、方向、控制
方式(整步、半步、细分)
• RD-021M8: 10~40V、1.5A
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
b. 芯片内部实现控制时序,MCU只提供脉冲、方向、控制
方式(整步、半步、细分)
• RD-023ms: 18~40V,3A
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
b. 芯片内部实现控制时序,MCU只提供脉冲、方向、控制
方式(整步、半步、细分)
• Toshiba TA8435:整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择。
2、电/气驱动——电驱
步进电机——控制方式
b. 芯片内部实现控制时序,MCU只提供脉冲、方向、控制
方式(整步、半步、细分)
• 时代超群:
2、电/气驱动——电驱
舵机——基本信息
• (1)大扭矩:舵机中的电机扭矩经多级齿轮
(1/180度左右)减
速后输出到输出轴,因此扭矩得到放大,舵机内的直流电机体积很小,
但减速后仍可以提供很大的扭矩。
• (2)自锁特性:在不超过额定负载的情况下,舵机所处的位置只与
脉冲的占空比有关,因此舵机能够在其转动范围内的任意角度自锁,
其自锁电流较小。
• (3)控制方便:舵机只有三根控制线,分别为 地线、电源线及信
号线,信号线接收+5V高电平的PWM信号,控制电路已经集成在舵机
内部,控制较为简单,不需要额外的驱动电路。
• (注意:舵机的PWM信号频率为50HZ(20ms);高电平时间仅占
0.5ms~2.5ms;对应角度0度~180度。)
2、电/气驱动——电驱
舵机——基本信息
• 能量密度有限,没有尺寸很大的舵机,也没有舵机做成的大型的机器
人。
• 一维尺度加倍,三维尺度增加8倍,但功率增加不了8倍。
• 注:舵机标称电压一般为4.8~6V,但一般用7.4V(8.4V)锂聚合物
电池供电也可以,但更容易造成抖动,如果扭矩充足,将锂电池电压
降压再给舵机供电。
• STM32的硬件PWM可能会使某些质量不好的舵机产生抖动,可以采
用模拟PWM来尝试
2、电/气驱动——电驱
舵机——基本信息
• Futaba:日本双叶电子工业株式会社,无线遥控界的领导者。近来将
其技术推广到休闲娱乐如遥控飞机(车、船)等产品,发展成为热门的
户外休闲运动。
http://www.futaba.com/
• 深圳市春天模型电子有限公司:专业研发制造各种舵机和模型遥控设
备。
http://www.springrc.cn/default.asp
2、电/气驱动——电驱
舵机——基本信息
• Hitec:主要生产遥控模型专用的遥控器及伺服电机、舵机、接收机、
飞机模型、智能机器人。
• http://www.hitecrcd.com/
• GWS:台湾广盈电子有限公司,主要有舵机、卫星用伺服机、陀螺
仪、遥控飞机等一系列的电子相关产品。
• http://www.gws.com.tw/chinese/chinese.htm
• Tower pro:主要生产无刷电机、舵机、电子调速器及其它航模产品。
• http://towerprocn.sh15.host.35.com/towerprocn/index.html
• 注:辉盛舵机仿制品很多,购买时要注意!
2、电/气驱动——电驱
舵机——基本信息
•
•
•
•
•
MG945:
0.5ms——2.5ms(0——185度)。
周期推荐20ms(用10ms也是可以的,但要考虑转速)。
(测试的时候,先使用示波器测量一下周期)
有的舵机控制周期不是0.5ms——2.5ms,例如Hitec舵机(0.9ms—
—2.1ms)
• 对应(0——120度)
• 先微分后积分调节舵机转速
2、电/气驱动——电驱
电机选型
2、电/气驱动——电驱
电机选型——负载计算
• 注意:对于高速运动 或者 加速运动,惯性力不可忽略。
参考书籍:《机器人的创意设计与实践》——宗光华
2、电/气驱动——电驱
电机选型
• 电机的几个重要因素
– 功率——决定能量大小;
– 减速器——输出力矩的关键因素
– 编码器——反馈位置精度等
– 通信方式——RS232/485、CAN总线等;决定传输速率
2、气压驱动
• 利用压缩空气0.8MPa(8个大气压)以下,将气体膨胀能量转化为机
械能。
• 世界上最好的两个做气动元器件的厂商:
– 日本的SMC和德国的festo(费斯托)。
• Festo有气动教程
• 特点:原理简单,容易实现,直线速度较快,推力较大。但系统较为
庞大,有噪声。
参考书籍:《现代机械设计手册(单行本):气压传动与控制设计》——谢里阳 & 秦大同
2、气压驱动
气泵
空气压缩机
气罐
空气滤清
稳压器
电磁阀
执行元件
2、气压驱动
RoboGame2011吸附机器人
2、气压驱动
• 气动机器人实例:
• 魔方机器人
3、电源系统
电源转化方式
a. 交流—>直流
• 开关电源:斩波原理,效率较高,常用的机箱ATX电源,12V和5V接
线可以提供较大的电流
b. 直流—>交流
• 逆变器:汽车、UPS电源核心组件。
c. 直流—>直流(降压)
• 电源芯片:7805、LM2576或者DC-DC模块
3、电源系统
常用的稳压芯片
a. 12V稳压:7812、LM2940CT-12等
b. 9V稳压:7809、LM2940CT-9.0等
c.
5V稳压:7805、LM2940CT-5.0等
d. 3.3V稳压:LM1117-3.3V、LM2576HVT-3.3等
3、电源系统
基本参数
a. 电压
b. 容量:maH、AH、WH=AH 乘以 电压
c.
放电速率:单位C,乘以容量 得到放电电流,例如,
Imax=2200maH X 20C =44A,可以提供的功率P=22.2V X
44A=976.8W。
3、电源系统
电源分类
a. 铅酸电池:蓄电池,价格跟功率有关。
b. 镍镉/镍氢电池:1.2V每单元,有记忆效应,维护较麻烦
c. 锂系:
I. 锂离子电池(Li-ion):手机、DV上用的大多数,放电速率稍小。
标称单元电压:3.6V
II. 锂聚合物电池(Li-Poly):大电流放电,常用于航模等动力电池,
推荐使用,标称单元电压3.7V,满电压4.2V,注意充电方式(平衡
充电器)。
III. 磷酸铁锂电池(LiFePO4):单元3.2V,可做成大电池单元,用于
动力电池,电动汽车、电动公交用的都是此类电池,国轩高科。
3、电源系统
放电特性
锰干电池和碱干电池
蓄电池
3、电源系统
选用方法
a. 减少充电次数
• 选用大容量的电池
b. 减轻电池质量
• 选用小容量电池,充电次数增加
(注意:一般不推荐电池盒来串联,电阻大,连接不可靠;也不要用焊
锡将电池串联,防止受热不均导致碱液外泄。推荐现成的电池组。)

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