第8章　驱动器与传感器

2020-03-01 165浏览

1.第8章驱动器与传感器第8章机器人学简明教程驱动器与传感器 8.1 直流伺服电动机 8.2 舵机 8.3 旋转编码器
2.第8章驱动器与传感器机器人伺服系统，按驱动器的类型可分为液压伺服系统、气动伺服系统和机电伺服系统。前两者特色明显，但应用范围有一定的限制。而机电伺服系统的能源是可以用最方便最灵活的方式加以利用的电能，其驱动元件是可按各种特定需求设计和选用的电动机。机器人伺服系统中常用的电动机有直流伺服电动机(DCservomotor)和舵机(Steeringengine) 等。另外在伺服系统中，通常采用传感器（如旋转编码器、电位器等）采集电动机的转速、位置等输出信息，这些信息被回馈给系统的输入端，构成反馈闭环控制系统。
3.第8章驱动器与传感器通常情况下，在机器人伺服系统中，驱动装置采用的是一体化产品，即在直流伺服电动机（或舵机）本体的基础上同轴安装有减速器及位置/速度传感器。图8－1(a)为一体化直流伺服电动机系统的外观图，图8 －1(b)为一体化舵机系统的外观图，图8－1(c)为系统构成示意图。
4.第8章驱动器与传感器图8-1 一体化电动机伺服系统
5.第8章驱动器与传感器 8.1 直流伺服电动机 1.直流电动机的基本结构图8－2为直流电动机的结构示意图，图8－3为直流电动机横截面示意图。从图8－2、图8－3可见，直流电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子用来产生磁场并做为电动机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等，静止的电刷装置也固定在定子上。定子中的励磁绕组通以直流电以产生主磁场。转子上用来感应电动势而实现能量转换的部分称为电枢，它包括电枢铁芯和电枢绕组，还有换向器、轴、通风冷却用的风扇等。
6.第8章驱动器与传感器图8－2 直流电动机的结构示意图
7.第8章驱动器与传感器图8－3 直流电动机横截面示意图
8.第8章驱动器与传感器 2.直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如图8－4所示。如果在电刷A、 B两端加上直流电压，电刷A为“＋”，B为“－”，则电流 i的方向为从电刷A流进电枢，从电刷B流出。根据“毕－萨电磁力定律”载流导体ab、cd受电磁力为 f=Bil (8－1) 式中，f为作用于载流导体上力的大小，方向用左手定则来确定；B为磁感应强度；i为导体内流过的直流电流；l为导体的有效长度，即每根导体切割磁力线部分的长度。
9.第8章驱动器与传感器图8－4 直流电动机的工作原理
10.第8章驱动器与传感器从图8－4可见，两个载流导体ab、cd所受到的力均为f， f与电枢半径的乘积就是转矩，称为电磁转矩。这里电磁转矩的方向是顺时针的，电磁转矩就是直流电动机的驱动转矩。显然当电刷A、B两端加上直流电压不变时，旋转的载流导体ab和cd中的电流方向是交变的，即S极下电流方向始终从里到外，而N极下的电流方向始终从外到里，所以电动机的转矩大小和旋转方向保持不变。
11.第8章驱动器与传感器 3.直流电动机的铭牌每一台直流电动机上都有一个铭牌，上面标明电动机的额定数据，它是用户使用电动机的依据。这些数据有: （1）额定功率PN，单位W或kW。额定功率是电动机在铭牌规定的额定运行条件下输出的机械功率。（2）额定电压UN,单位V。额定电压是在额定运行条件下，直流电动机的输入电压。 (3)额定电流IN,单位A。额定电流是电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，电动机的输入电流。直流电动机的额定电流可由下式计算 PN 103 IN  U N N (8－2) 式中：ηN为电动机在额定状况下运行时的效率。
12.第8章驱动器与传感器 (4)额定转速nN，r/min。额定转速是电动机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时转子的转速。（5）额定效率ηN。额定效率是电动机在额定工况下，输出功率与输入功率之比的百分数。 (6)额定励磁电压Uf,单位V。额定励磁电压是指电动机在额定工况下，励磁绕组两端的电压。
13.第8章驱动器与传感器 (7)额定励磁电流If,单位A。额定励磁电流是指电动机在额定工况下，励磁绕组中的电流。直流电动机轴上的额定转矩用T2N表示，其大小为 T2 N PN PN PN    9.55  N 2 nN / 60 nN 式中，PN的单位为W；nN的单位为r/min；T2N的单位为N·m。若PN的单位为kW时，系数9.55应改为9550。
14.第8章驱动器与传感器 4.直流电动机的感应电动势与电磁转矩 1)感应电动势根据电磁感应定律，直流电动机运转时，电枢元件切割主磁场，因此会产生感应电动势。感应电动势是指电动机正、负电刷间的电动势。由电动机学相关文献可知，感应电动势的计算公式为 E a  Ce  n (8－4) 式中，Φ为每极磁通，单位为Wb；n为电机转速，单位为 r/min；Ce为电势常数，对于已出厂的直流电动机，Ce为常数，所以直流电动机的感应电动势与磁通和转速之积成正比。
15.第8章驱动器与传感器 2)电磁转矩当电枢元件中有电流时，直流电动机在磁场中运动，根据毕－萨电磁力定律，其会受到电磁力的作用，因而会产生电磁转矩。由电动机学相关文献可知，电磁转矩的计算公式为 Tem  CT I a (8－5) 式中，CT为常数，称为转矩常数。对于已出厂的直流电动机，CT为常数，所以直流电动机的电磁转矩与磁通和电枢电流成正比，其中CT=9.55Ce。
16.第8章驱动器与传感器 5.直流电动机的基本方程 在机器人伺服系统中所用的直流伺服电动机大多采用永磁励磁方式，即主磁极采用永磁铁来产生恒定的磁场。永磁励磁方式属于他励的特例，他励直流电动机运行原理如图 8－5所示。图8－5 他励直流电动机运行原理
17.第8章驱动器与传感器 1)电压平衡方程式他励直流电动机的等效电路如图8－6所示。图8－6 他励直流电动机等效电路及参考方向
18.第8章驱动器与传感器根据图8－6中的参考方向，可列出他励直流电动机的电压平衡方程式为 U d  Ea  I a ra  2U c  Ce n  I a Ra (8－6) 2)功率平衡方程式直流电动机电压平衡方程式(8－6)两边同乘以电枢电流Ia，可得电动机的功率平衡方程式 2 U d I a  I a ra  Ea I a  2U c I a (8－7) 2 式中， U d I a  P1 为电动机输入的电功率； I a Ra  pCua 为电枢回路绕组电阻损耗； Ea I a  Pem 为电动机的电磁功率； 2U c I a  pc 为电刷的接触损耗。
19.第8章驱动器与传感器根据以上功率的定义，电动机电枢回路的功率平衡方程式可写为 P1  Pem  pCua  pc (8－8) 当电动机电枢转动时，转动部分有如下机械损耗: （1）机械损耗pmec。机械损耗pmec包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定转子与空气的摩擦及通风的风摩损耗。（2）铁芯损耗pFe。铁芯损耗pFe是由于电枢转动时主磁通在电枢铁芯内交变，引起齿部及电枢铁轭中的磁滞损耗和涡流损耗。铁芯损耗pFe 与磁通交变频率及磁通密度最大值有关，实际计算中统称为铁芯损耗。
20.第8章驱动器与传感器（3）杂散损耗pad。杂散损耗pad又称附加损耗，产生的原因很多，也很难准确计算，通常用估计办法来确定。无补偿绕组电机的直流电动机在额定负载时杂散损耗约为额定功率的1%，有补偿绕组电动机的杂散损耗为额定功率的0.5%，这样处理的结果，相当于把附加损耗看做为不变损耗了。这样，当电动机拖动负载转动时，直流电动机的功率平衡方程式为 P1  Pem  pcua  pc  P2  pcua  pc  pmec  pFe  pad  P2  p (8－9)
21.第8章驱动器与传感器图8－7 他励直流电动机功率流程图
22.第8章驱动器与传感器 3)转矩平衡方程式根据图8－7，得到电动机的转矩与功率关系为 Pem P2 p0      (8－10) 式中，Pem/Ω=Tem为电动机电枢的电磁转矩；P2/Ω=T2为电动机输出转矩；p0/Ω=T0为电动机的空载转矩。因此，电动机转矩平衡方程为 Tem  T2  T0 (8－11)
23.第8章驱动器与传感器 6.电力拖动系统运动方程图8－8为一单轴电力拖动系统，电动机在电力拖动系统中做旋转运动时，必须遵循下列基本的运动方程式。图8－8 单轴电力拖动系统
24.第8章驱动器与传感器旋转运动的方程式为 d Tem  TL  J dt (8－12) 式中，Tem为电动机产生的拖动转矩(N·m)；TL为负载转矩 (N·m)；JdΩ/dt为惯性转矩(或称动转矩)，J为转动惯量,可用下式表示 2 GD J  m 2  4g (8－13) 式中，m、G分别为旋转部分的质量(kg)与重量(N)；ρ、D 分别为转动惯性半径与直径(m)；g为重力加速度,g=9.81 m/s2,J的单位为kg·m2。
25.第8章驱动器与传感器需要说明的是，式（8－12）中忽略了电动机本身的损耗转矩T0，认为电动机产生的电磁转矩全部用来拖动负载。在实际计算中常用式（8－12）的另一种形式，即将角速度Ω=2πn/60(Ω的单位为rad/s，n的单位为r/min)代入式（8 －12）得运动方程式实用形式 GD 2 dn Tem  TL  375 dt (8－14) 式中，GD2为飞轮矩(N·m2)，GD2=4gJ；375是具有加速度量纲的系数。
26.第8章驱动器与传感器
27.第8章驱动器与传感器 7.他励直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem 之间的关系，即n=f(Tem)，机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与运动方程式相联系，是分析电动机启动、调速、制动等问题的重要工具。根据图8－6可以列出电动机的基本方程式为感应电动势方程: Ea  Ce n 电磁转矩: Tem  CT I a 电压平衡方程: 电枢总电阻: U d  I a R  Ea R  Ra  Re
28.第8章驱动器与传感器   f (i f ) 磁通: 励磁电流: if  Uf Rf 将式（8－4)和式（8－5)代入电压平衡方程式（8－6) 中，可得机械特性方程式的一般表达式 Ud R n  T 2 em Ce  CeCT  (8－15) 在机械特性方程式(8－15)中，当电源电压Ud、电枢总电阻RΣ、磁通Φ为常数时,即可画出他励直流电动机的机械特性 n=f(Tem),如图8－9所示。
29.第8章驱动器与传感器图8－9 他励直流电动机的机械特性
30.第8章驱动器与传感器由图8－9中的机械特性曲线可见,转速n随电磁转矩Tem 的增大而降低,是一条向下倾斜的直线。这说明:电动机加上负载，转速会随负载的增加而降低。下面讨论机械特性上的两个特殊点和机械特性直线的斜率。 1)理想空载点A(0,n0) 在式(8－15)中，当Tem=0时，n=Ud/CeΦ=n0称为理想空载转速，即 Ud n0  Ce  (8－16)
31.第8章驱动器与传感器由式(8-16)可见，调节电源电压 U d 或磁通  ，可以改变理想 ' 空载转速 n0 的大小。必须指出，电动机的实际空载转速 n0 比 n0 略低，如图 8-9 所示。这是因为，电动机在实际的空载状态下运行时，其输出转矩 T2  0 ，但电磁转矩 Tem 不可能为零，必须克服空 ' 载阻力转矩 T0 ，即 Tem  T0 ,所以实际空载转速 n0 为 Ud R R n   T  n0  T 2 0 2 0 Ce  CeCT  CeCT  ' 0 (8－17)
32.第8章驱动器与传感器 2)堵转点或启动点B(Tst，0) 在图8－9中，机械特性直线与横轴的交点B为堵转点或启动点。在堵转点,n=0，因而Ea=0,此时电枢电流Ia=Ud/RΣ =Ist称为堵转电流或启动电流。与堵转电流相对应的电磁转矩Tst称为堵转转矩或启动转矩。
33.第8章驱动器与传感器 3)机械特性直线的斜率式(8－15)中，右边第二项表示电动机带负载后的转速降，用Δn表示，则 R n  T  Tem 2 em CeCT  (8－18) 式中，β=RΣ/CeCTΦ2为机械特性直线的斜率。在同样的理想空载转速下,β越小，Δn越小，即转速随电磁转矩的变化较小，称此机械特性为硬特性。β越大,Δn也越大，即转速随电磁转矩的变化较大，称此机械特性为软特性。
34.第8章驱动器与传感器将公式(8-16)及式(8-18)代人式(8-15)，得机械特性方程式的简化式为 n  n0   Tem (8－19) 当他励电动机的电源电压Ud=UN、磁通Φ=ΦN、电枢回路中没有附加电阻，即Re=0时，电动机的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性的方程式为 UN Ra n  T 2 em Ce  N Ce CT  N (8－20)
35.第8章驱动器与传感器图8－10 他励直流电动机的固有机械特性
36.第8章驱动器与传感器 8.他励直流电动机的降压调速绝大多数生产机械都有调速要求。他励直流电动机的机械特性见式（8－15)，稳态时，电动机的电磁转矩Tem由负载TL决定，故要调节转速n，可以通过改变电压Ud、改变电枢回路总电阻RΣ、改变磁通Φ三种方法，其中降压调速是普遍采用的方法。
37.第8章驱动器与传感器降压调速的原理可用图8－11说明。设电动机拖动恒转矩负载TL，在额定电压UN下运行于A点，转速为nA，如曲线 1所示。现将电源电压降为U1，忽略电磁惯性，电动机的机械特性如曲线2所示。由于电动机的转速不能突变，由特性1 变为特性2，转速不变，于是，电动机的运行点由A点变为C 点。在C点，对应的电磁转矩为TC，TC38.第8章驱动器与传感器图8－11 他励直流电动机的降压调速39.第8章驱动器与传感器 9.他励直流电动机的PWM调速方法目前，直流电动机大多采用脉冲宽度调制 （PulseWidthModulation,PWM）方法进行调压调速，图8－ 12为广泛使用的桥式PWM变换器电路。图8－12 桥式PWM变换器电路40.第8章驱动器与传感器如果加在开关管上的驱动电压波形如图8－13（a）所示, 则加在电动机电枢两端的电压U、电枢中流过的电流id、电枢两端的平均电压Ud的波形如图8－13（b）所示，此时电动机正转。如果加在开关管上的驱动电压波形如图8－14（a）所示, 则加在电动机电枢两端的电压U、电枢中流过的电流id、电枢两端的平均电压Ud的波形如图8－14（b）所示，此时电动机反转。其中平均电压的计算公式为 ton T  ton  2ton  Ud  Us  Us    1 U s   2   1U s T T  T  (8－21) 式中，ρ为占空比，0≤ρ≤1。41.第8章驱动器与传感器从图8－13、图8－14及式（8－21）可以看出，调整占空比ρ的大小，可以改变电动机的转速及转向。当0.5<ρ≤1时，平均电压Ud为正，电动机正转；当ρ=0.5时，平均电压Ud为零，电动机停转；当0≤ρ<0.5时，平均电压Ud为负，电动机反转。电动机的平均转速与平均电压之间的关系为 Ud R R n  Te  n0  Te Ce Ce Cm Ce Cm (8－22)42.第8章驱动器与传感器图8－13 正向运转波形43.第8章驱动器与传感器图8－14 反向运转波形44.第8章驱动器与传感器 8.2 舵机 1.模拟舵机 1)模拟舵机的基本结构图8－15为常用模拟舵机的外观图，图8－16为其内部结构图。一般来讲，模拟舵机主要由外壳、舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等组成，是一种具有闭环结构的位置伺服驱动器。45.第8章驱动器与传感器图8－15 常用模拟舵机的外观图46.第8章驱动器与传感器图8－16 模拟舵机内部结构图47.第8章驱动器与传感器通常模拟舵机的输入线共有三条，中间红色线是电源线，一根棕色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。另外一根线是控制信号线，Futaba 的产品一般为白色，JR的产品一般为橘黄色。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准。48.第8章驱动器与传感器 2)模拟舵机的控制信号模拟舵机的控制信号为周期是20ms的PWM信号，其中脉冲宽度通常从0.5ms~2.5ms，相对应输出轴的位置为0°~180°，呈线性变化。PWM信号经电路板上的IC处理后计算出转动方向，再驱动电机转动，通过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器（位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会跟着改变，测量电阻值便可知转动的角度。）返回位置信号。一般舵机只能旋转180°。也就是说，给控制引脚提供一定的脉宽信号（TTL电平，0V/5V），它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变。直到给它提供另一个宽度的脉冲信号，它才会将输出角度改变到新的对应的位置上。49.第8章驱动器与传感器值得注意的是:标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms，脉冲宽度为0.5ms～2.5ms的正脉冲宽度和舵机的转角0°～180°相对应。由于舵机品牌不同，其控制器解析出的脉冲宽度也不同，所以对于同一信号，不同品牌的舵机旋转的角度也不同。另外，舵机的控制电路处理的并不是脉冲的宽度，而是其占空比，即高低电平之比。以周期20ms、高电平时间 2.5ms为例，如果给出周期10ms、高电平时间1.25ms的信号，对大部分舵机也可以达到一样的控制效果。但是周期不能太小，否则舵机内部的处理电路可能紊乱；这个周期也不能太长，例如如果控制周期超过40ms，舵机就会反应缓慢，并且在承受扭矩的时候会抖动，影响控制品质。50.第8章驱动器与传感器图8－17 模拟舵机转动角度与PWM信号关系示意图51.第8章驱动器与传感器 3)模拟舵机的内部电路图8－18是FutabaS3003型舵机的内部电路。舵机的工作原理是:PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688L 的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由 BA6688L的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路 BAL6686,以驱动电机正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转,直到电压差为0,电机停止转动。52.第8章驱动器与传感器图8－18 Futaba S3003型舵机的内部电路53.第8章驱动器与传感器 4)模拟舵机的铭牌数据及型号市面上常见的模拟舵机为日本Futaba公司生产的FutabaS 系列模拟舵机，如FutabaS3003，FutabaS3010，FutabaS3305 等，主要的铭牌数据有:供电电压、最大扭矩、最大转角、速度、尺寸及重量等，表8－1为Futaba系列产品的铭牌数据。54.第8章驱动器与传感器表8－1 Futaba模拟舵机铭牌数据55.第8章驱动器与传感器 2.数字舵机数字舵机(DigitalServo)和模拟舵机(AnalogServo)在基本机械结构方面是完全一样的，主要由直流电动机、减速齿轮、控制电路等组成。数字舵机和模拟舵机的最大区别体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机多了微处理器。基于这个原因，数字舵机比之模拟舵机具有反应速度更快，无反应区范围小，定位精度高，抗干扰能力强等优势。已逐渐取代模拟舵机，在机器人、航模中得到广泛应用。本节以Dynamixel系列机器人舵机中RX－64Dynamixel 数字舵机为例，讲解数字舵机的工作原理。56.第8章驱动器与传感器 Dynamixel系列机器人舵机是一种智能化、模块化动力装置，由齿轮减速箱、一个精确的直流电动机以及具备通讯功能的控制芯片打包而成。能产生大扭矩，材料坚固，保证承受极大外力必需的强度和韧性。工作时可反馈内部状况，例如内部温度或输入电压等。它有约300°的运动范围,也可以通过软件设置使其作360° 连续转动,来作为车轮的驱动器。相比传统的伺服系统，RX－64伺服系统不但拥有位置反馈系统，而且还有速度反馈，温度反馈，支持高速串行网络。更重要的是RX－64提供了高达52kg(cm)的扭矩，动力十足,是一款真正意义上的机器人专用舵机。主要型号有DynamixelRX－64， DynamixelRX－28，DynamixelAX－12，DynamixelDX－117等，图8－19是Dynamixel系列机器人舵机的外观图。57.第8章驱动器与传感器图8－19 Dynamixel系列机器人舵机外观图58.第8章驱动器与传感器 1)数字舵机的互联方式 Dynamixel数字舵机的一个突出优点是其具备网络功能，各个舵机之间采用Daisy总线相互连接，传输信息，这在机器人的应用中是极为方便的。图8－20为两台舵机相互连接图，每台舵机均有两个四针的接口，其引脚功能如图8－21所示，一台舵机的序号相同的引脚内部已相互连接，便于舵机之间串行连接。两台舵机的引脚连接图如图8－22所示，这里特别需要注意的是:引脚之间要确保正确连接，否则可能会损坏舵机。 RX－64采用多站点连接方法，多个RX－64舵机通过RS－ 485总线和主控制器进行通信。图8－23为多台舵机网络通信图，每一个舵机分配有一个唯一的ID号，主控制器可设置舵机的速度、位置及转矩等，同时亦可以对当前的位置及速度进行读取，以观察目前舵机的工作状态。59.第8章驱动器与传感器图8－20 两台舵机相互连接图60.第8章驱动器与传感器图8－21 舵机接口引脚排列图61.第8章驱动器与传感器图8－22 舵机接口引脚连接图62.第8章驱动器与传感器图8－23 多台舵机网络通信图63.第8章驱动器与传感器 2)数字舵机RX－64的铭牌数据在机器人应用中广泛使用的数字舵机为韩国Dynamixel 公司生产的Dynamixel系列数字舵机，如DynamixelRX－64、 DynamixelRX－28、DynamixelAX－12及DynamixelDX－ 117等，主要的铭牌数据有:供电电压、最大扭矩、最大转角、速度、尺寸及重量等，表8－2为RX－64数字舵机的铭牌数据。64.第8章驱动器与传感器表8－2 RX－64数字舵机铭牌数据65.第8章驱动器与传感器 3)主控制器和数字舵机的通信接口图8－24为主机和舵机之间的通信接口图,采用MAXIM 公司的通信接口芯片MAX485在主控制器和舵机之间进行通信。在图8－24中，根据引脚DIRECTION485的电平高低，决定信号的传输方向。如果DIRECTION485Level=High， TXD引脚的信号输出到D+和D-。如果 DIRECTION485Level=Low，D+和D-的信号输出到RXD中。66.第8章驱动器与传感器图8－24 舵机和主控制器通信接口图67.第8章驱动器与传感器 4)通信数据包主控制器和舵机之间通过发送和接收数据包（Packet）来进行通信。数据包有两种:（1）指令包（InstructionPacket），由主控制器发送给舵机。（2）状态包（StatusPacket），由舵机将状态信息反馈给主控制器，如图8－25所示。每一台连于总线上的舵机都有唯一的一个 ID号，通过将ID号赋给指令包及状态包，主控制器可以控制指定ID号的舵机。68.第8章驱动器与传感器图8－25 舵机和主控制器通信示意图69.第8章驱动器与传感器 (1)指令包。指令包是主控制器发给舵机的命令数据。指令包的结构如图8－26所示。图8－26 指令包结构70.第8章驱动器与传感器指令包中各位的意义如下: ①0XFF0XFF:表示指令包的起始位。 ②ID:表示接收指令包的舵机ID号，可以使用254个ID号，从0到253 （0X00-0XFD）。如果设ID=254，则处于广播状态，即所有连于总线的舵机均可收到主控制器的命令信号，此时各舵机不再向主控制器返回状态信号。 ③LENGTH:指令包的长度，长度为参数的个数N+2。 ④N:'>INSTRUCTION:
38.第8章驱动器与传感器图8－11 他励直流电动机的降压调速
39.第8章驱动器与传感器 9.他励直流电动机的PWM调速方法目前，直流电动机大多采用脉冲宽度调制 （PulseWidthModulation,PWM）方法进行调压调速，图8－ 12为广泛使用的桥式PWM变换器电路。图8－12 桥式PWM变换器电路
40.第8章驱动器与传感器如果加在开关管上的驱动电压波形如图8－13（a）所示, 则加在电动机电枢两端的电压U、电枢中流过的电流id、电枢两端的平均电压Ud的波形如图8－13（b）所示，此时电动机正转。如果加在开关管上的驱动电压波形如图8－14（a）所示, 则加在电动机电枢两端的电压U、电枢中流过的电流id、电枢两端的平均电压Ud的波形如图8－14（b）所示，此时电动机反转。其中平均电压的计算公式为 ton T  ton  2ton  Ud  Us  Us    1 U s   2   1U s T T  T  (8－21) 式中，ρ为占空比，0≤ρ≤1。
41.第8章驱动器与传感器从图8－13、图8－14及式（8－21）可以看出，调整占空比ρ的大小，可以改变电动机的转速及转向。当0.5<ρ≤1时，平均电压Ud为正，电动机正转；当ρ=0.5时，平均电压Ud为零，电动机停转；当0≤ρ<0.5时，平均电压Ud为负，电动机反转。电动机的平均转速与平均电压之间的关系为 Ud R R n  Te  n0  Te Ce Ce Cm Ce Cm (8－22)
42.第8章驱动器与传感器图8－13 正向运转波形
43.第8章驱动器与传感器图8－14 反向运转波形
44.第8章驱动器与传感器 8.2 舵机 1.模拟舵机 1)模拟舵机的基本结构图8－15为常用模拟舵机的外观图，图8－16为其内部结构图。一般来讲，模拟舵机主要由外壳、舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等组成，是一种具有闭环结构的位置伺服驱动器。
45.第8章驱动器与传感器图8－15 常用模拟舵机的外观图
46.第8章驱动器与传感器图8－16 模拟舵机内部结构图
47.第8章驱动器与传感器通常模拟舵机的输入线共有三条，中间红色线是电源线，一根棕色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。另外一根线是控制信号线，Futaba 的产品一般为白色，JR的产品一般为橘黄色。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准。
48.第8章驱动器与传感器 2)模拟舵机的控制信号模拟舵机的控制信号为周期是20ms的PWM信号，其中脉冲宽度通常从0.5ms~2.5ms，相对应输出轴的位置为0°~180°，呈线性变化。PWM信号经电路板上的IC处理后计算出转动方向，再驱动电机转动，通过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器（位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会跟着改变，测量电阻值便可知转动的角度。）返回位置信号。一般舵机只能旋转180°。也就是说，给控制引脚提供一定的脉宽信号（TTL电平，0V/5V），它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变。直到给它提供另一个宽度的脉冲信号，它才会将输出角度改变到新的对应的位置上。
49.第8章驱动器与传感器值得注意的是:标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms，脉冲宽度为0.5ms～2.5ms的正脉冲宽度和舵机的转角0°～180°相对应。由于舵机品牌不同，其控制器解析出的脉冲宽度也不同，所以对于同一信号，不同品牌的舵机旋转的角度也不同。另外，舵机的控制电路处理的并不是脉冲的宽度，而是其占空比，即高低电平之比。以周期20ms、高电平时间 2.5ms为例，如果给出周期10ms、高电平时间1.25ms的信号，对大部分舵机也可以达到一样的控制效果。但是周期不能太小，否则舵机内部的处理电路可能紊乱；这个周期也不能太长，例如如果控制周期超过40ms，舵机就会反应缓慢，并且在承受扭矩的时候会抖动，影响控制品质。
50.第8章驱动器与传感器图8－17 模拟舵机转动角度与PWM信号关系示意图
51.第8章驱动器与传感器 3)模拟舵机的内部电路图8－18是FutabaS3003型舵机的内部电路。舵机的工作原理是:PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688L 的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由 BA6688L的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路 BAL6686,以驱动电机正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转,直到电压差为0,电机停止转动。
52.第8章驱动器与传感器图8－18 Futaba S3003型舵机的内部电路
53.第8章驱动器与传感器 4)模拟舵机的铭牌数据及型号市面上常见的模拟舵机为日本Futaba公司生产的FutabaS 系列模拟舵机，如FutabaS3003，FutabaS3010，FutabaS3305 等，主要的铭牌数据有:供电电压、最大扭矩、最大转角、速度、尺寸及重量等，表8－1为Futaba系列产品的铭牌数据。
54.第8章驱动器与传感器表8－1 Futaba模拟舵机铭牌数据
55.第8章驱动器与传感器 2.数字舵机数字舵机(DigitalServo)和模拟舵机(AnalogServo)在基本机械结构方面是完全一样的，主要由直流电动机、减速齿轮、控制电路等组成。数字舵机和模拟舵机的最大区别体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机多了微处理器。基于这个原因，数字舵机比之模拟舵机具有反应速度更快，无反应区范围小，定位精度高，抗干扰能力强等优势。已逐渐取代模拟舵机，在机器人、航模中得到广泛应用。本节以Dynamixel系列机器人舵机中RX－64Dynamixel 数字舵机为例，讲解数字舵机的工作原理。
56.第8章驱动器与传感器 Dynamixel系列机器人舵机是一种智能化、模块化动力装置，由齿轮减速箱、一个精确的直流电动机以及具备通讯功能的控制芯片打包而成。能产生大扭矩，材料坚固，保证承受极大外力必需的强度和韧性。工作时可反馈内部状况，例如内部温度或输入电压等。它有约300°的运动范围,也可以通过软件设置使其作360° 连续转动,来作为车轮的驱动器。相比传统的伺服系统，RX－64伺服系统不但拥有位置反馈系统，而且还有速度反馈，温度反馈，支持高速串行网络。更重要的是RX－64提供了高达52kg(cm)的扭矩，动力十足,是一款真正意义上的机器人专用舵机。主要型号有DynamixelRX－64， DynamixelRX－28，DynamixelAX－12，DynamixelDX－117等，图8－19是Dynamixel系列机器人舵机的外观图。
57.第8章驱动器与传感器图8－19 Dynamixel系列机器人舵机外观图
58.第8章驱动器与传感器 1)数字舵机的互联方式 Dynamixel数字舵机的一个突出优点是其具备网络功能，各个舵机之间采用Daisy总线相互连接，传输信息，这在机器人的应用中是极为方便的。图8－20为两台舵机相互连接图，每台舵机均有两个四针的接口，其引脚功能如图8－21所示，一台舵机的序号相同的引脚内部已相互连接，便于舵机之间串行连接。两台舵机的引脚连接图如图8－22所示，这里特别需要注意的是:引脚之间要确保正确连接，否则可能会损坏舵机。 RX－64采用多站点连接方法，多个RX－64舵机通过RS－ 485总线和主控制器进行通信。图8－23为多台舵机网络通信图，每一个舵机分配有一个唯一的ID号，主控制器可设置舵机的速度、位置及转矩等，同时亦可以对当前的位置及速度进行读取，以观察目前舵机的工作状态。
59.第8章驱动器与传感器图8－20 两台舵机相互连接图
60.第8章驱动器与传感器图8－21 舵机接口引脚排列图
61.第8章驱动器与传感器图8－22 舵机接口引脚连接图
62.第8章驱动器与传感器图8－23 多台舵机网络通信图
63.第8章驱动器与传感器 2)数字舵机RX－64的铭牌数据在机器人应用中广泛使用的数字舵机为韩国Dynamixel 公司生产的Dynamixel系列数字舵机，如DynamixelRX－64、 DynamixelRX－28、DynamixelAX－12及DynamixelDX－ 117等，主要的铭牌数据有:供电电压、最大扭矩、最大转角、速度、尺寸及重量等，表8－2为RX－64数字舵机的铭牌数据。
64.第8章驱动器与传感器表8－2 RX－64数字舵机铭牌数据
65.第8章驱动器与传感器 3)主控制器和数字舵机的通信接口图8－24为主机和舵机之间的通信接口图,采用MAXIM 公司的通信接口芯片MAX485在主控制器和舵机之间进行通信。在图8－24中，根据引脚DIRECTION485的电平高低，决定信号的传输方向。如果DIRECTION485Level=High， TXD引脚的信号输出到D+和D-。如果 DIRECTION485Level=Low，D+和D-的信号输出到RXD中。
66.第8章驱动器与传感器图8－24 舵机和主控制器通信接口图
67.第8章驱动器与传感器 4)通信数据包主控制器和舵机之间通过发送和接收数据包（Packet）来进行通信。数据包有两种:（1）指令包（InstructionPacket），由主控制器发送给舵机。（2）状态包（StatusPacket），由舵机将状态信息反馈给主控制器，如图8－25所示。每一台连于总线上的舵机都有唯一的一个 ID号，通过将ID号赋给指令包及状态包，主控制器可以控制指定ID号的舵机。
68.第8章驱动器与传感器图8－25 舵机和主控制器通信示意图
69.第8章驱动器与传感器 (1)指令包。指令包是主控制器发给舵机的命令数据。指令包的结构如图8－26所示。图8－26 指令包结构
70.第8章驱动器与传感器指令包中各位的意义如下: ①0XFF0XFF:表示指令包的起始位。 ②ID:表示接收指令包的舵机ID号，可以使用254个ID号，从0到253 （0X00-0XFD）。如果设ID=254，则处于广播状态，即所有连于总线的舵机均可收到主控制器的命令信号，此时各舵机不再向主控制器返回状态信号。 ③LENGTH:指令包的长度，长度为参数的个数N+2。 ④N:'>INSTRUCTION:

第8章 驱动器与传感器

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