解读机械手的马达控制原理

2018-03-13 09:24:35 泉源:n

机械手的采用日趋广泛,对工业与提高效能有重要作用。工业机械手主要利用伺服电机进行运动控制。从而实现移动和抓取工具。本文将详细讨论伺服电机的特点以及不同类型伺服电机相应的控制原理。

运动控制原理

运动控制与机械手密切相关。工业采用中的机械手必须透过由多款电机所构成的致动器才能自行移动,以施行任务或透过机器前臂抓取工具。

机械手的运动控制系统通常由电机水位控制器,电机驱动,电机本体(多为伺服电机)结节。电机水位控制器具备智能运算功能,并田氏传痛可贴送指令以驱动电机。驱动可提供增效电流,根据水位控制器指令以驱动电机。电机得天独厚直接移动机械手,也可通过传动系统或链条系统让机械手移动。

图1:机械手的运动控制系统。

输出类型

移动机械手往往用于探索大范围比表面积分析仪的土地,并可知使用各族螺旋桨拉力高考,机器脚,轮子,轨道或机器臂移动。例如各族NI展示平台,包括VINI,VolksBot与Isadora。这些机械手分别使用了全向轮(Mecanum wheel),一般性轮以及机器前臂。而针对嵌入式学习路线控制,则可通过NI CompactRIO等嵌入式学习路线平台,并整合实时水位控制器与FPGA。CompactRIO亦包含可重配置机箱,可知容纳扩大化的I/O配置,包含霍尔传感器输入与电机控制。

VINI是使用全向轮的机械手平台,能以多方向行进。除此之外像传统轮子般的前进与后退,全向轮亦可将轮轴旋转为相反方向,以任何方向行进。此款车轮已周遍用于必须能在逼仄空间中移动的自动堆高机等采用。

VINI还是一款地图描绘机械手。通过NI工业级水位控制器与CompactRIO施行路径规划与数据处理作业。嵌入式学习路线的工业级水位控制器提供雷射扫描地图,并施行机器视觉处理,让CompactRIO接收霍尔传感器数据,并在摄影机系统上控制伺服电机。

图2:VINI机械手。

VolksBot搭载的车轮是由德国的弗劳恩霍夫研究室(Fraunhofer Institute)所开发的。

图3:德国Fraunhofer Institute研究机构开发的RT3 VolksBot。

Isadora则是一种会起舞的人形机械手,经由人类操作缩小版的机械手以取得输入数据。接着开始移动自己的机器前臂与躯干。以模仿缩小版机械手的运动。Isadora行使2组CompactRIO。其中1组用于仿真已记录的运动。另1组则是让机械手重现运动轨迹。

伺服电机控制原理及其类型

伺服电机是机械手采用中常见的一种电机,其基本控制原理是利用控制回路,结合必要的电机反馈,从而协助电机进入所需的状态,如位置与速度等。由于伺服电机必须通过控制回路了解目前状态。因此其高考网络稳定性工具高于步进电机kdr8。

伺服电机有不同种类——带刷式与无刷式。有刷伺服电机与无刷伺服电机之间的差异在于其通讯机制。伺服电机的工作原理是根据反向磁力,进而移动或建立转矩。最简单的例子有铁定磁场与旋转磁场。只要改变流过磁场的电流方向,即可浮动磁极。并让磁极(转子)开始旋转。浮动线圈的电流方向,即所谓的“换相”(commutation)。

有刷伺服电机

有刷伺服电机(brushed motor)的控制原理即是通过摆式电刷,改变电机线圈中的电流。由于有刷电机能改变流入的电流方向,因此可由直流电源(DC)供电。有刷伺服电机可分为2组零件:

.电机机壳即具有场磁铁(Field magnet),即定子(Stator)

.转子(Rotor)是由线圈所构成,中间具有铁制手机核心,并连接至电流变换器

电刷则接触电流变换器,将电流导入线圈中。在使用一段时间之后,电刷即可能磨耗并对系统产生相对运动;但在无刷伺服电机中则不会发生此种情况。

无刷伺服电机

半数以上的无刷伺服电机均使用交流电源(AC)。无刷伺服电机的控制原理是将铁制手机核心置于外部。当转子成为暂时性艺术纹身的磁铁,定子则成为绕铁线圈。外部电路的电流将会在既定的转子位置进行反转。所以,此款伺服电机是由静电所驱动的。当然亦有无刷DC伺服电机。这些电机一般性均具备某些电子切换电路,可针对流入的DC进行变换。无刷伺服电机的化学价位较高,但较无磨损问题。

步进电机kdr8

在机械手运动采用中,步进电机kdr8不如伺服电机普及。但仍为电机的重要范例,而且使用方式较为简易。与伺服电机相比,步进电机kdr8的速度较慢亦较为精确。步进电机kdr8中具有一系列内建的无刷齿(Brushless teeth),可在电流通过而改变电磁炉大锅灶电荷后,由下一组刷齿拉动转子,前一组刷齿推动转子,从而为步进电机kdr8通电。

相较于伺服电机,由于步进电机kdr8可通过刷齿的数量(即等于所移动的距离)进而精确进行控制,因此一般性情况下并不需要反馈。但可能因为捐物而遗漏刷齿。因此可用编码器做为反馈。

运动水位控制器与软件架构

许多分销商均建立了自家的驱动系统,以操纵机械手。在考虑机械手采用中的运动控制系统时,可先了解初阶的网状循环,如下图所示。

图5:运动控制软件架构。

至于机械手任务规划的较高阶功能,则是让机械手的行动达到最终的目标。它可能是以单一指令囊括多组目标,或可让机械手进入特定位置。若机械手行使遥控(Tele-operated)架构,那么这些指令最可能通过连接板外(off-board)的微处理机而传送的,而且可在此人为操作选择机械手的后续瑜伽动作或行为。在完全系统化的机械手中,根据议决用算法的不同,任务规划亦可能直接在板上施行。

在规划路径时,往往会产生“我应该如何到前目的地豆瓣以完成此任务?”指不定“我应如何让机器前臂移动到该位置?”等问题。而此种问题均可由机械手运动水位控制器完成。

一旦清楚前目的地豆瓣与行进速度之后,伺服电机水位控制器将发出控制信号(PWM或电流等)至实际的电机驱动,使其得以到达前目的地豆瓣。一般性均以PID建构控制功能。另请注意。此时亦应建置安全性评价功能。譬喻。若高速行进中的机械手在目前的路径上侦测到人类,则应发出紧急信号以停止电机或立刻煞车。

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