驱动器及电源

1. 驱动器及电源 刘春山 scliu@mail.ustc.edu.cn

2. 目录 • 驱动、传动简介 • 电、气驱动详解 • 电源系统

3. 1、驱动、传动简介 机器人系统框架

4. 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

5. 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

6. 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

7. 2、电/气驱动——电驱

8. 2、电/气驱动——电驱 四种小型电机

9. 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。

10. 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。

11. 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）

12. 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）

13. 2、电/气驱动——电驱 直流电机等效电路 启动特性

14. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 转向控制 • 继电器

15. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 转向控制 • H桥

16. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 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。

17. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 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。

18. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 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。

19. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 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。

20. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 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

21. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 • 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

22. 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。

23. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服控制 电流环（内环） 位置环（外环） 伺服控制系统框图

24. 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

25. 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

26. 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。

27. 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

28. 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。

29. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——内转子

30. 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

31. 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——外转子

32. 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。

33. 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。

34. 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。

35. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本特点 • 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

36. 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

37. 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）

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

42. 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。

43. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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

44. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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

45. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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

46. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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。

47. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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

48. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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

49. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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。

50. 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 • 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：