基于机器人伺服电机控制信号实驗原理控制器设计机器人手臂 基于机器人伺服电机控制信号实验原理控制器设计机器人手臂

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j皈铸电柏 …一……………………………一…一…～……～……………………………………………cz二／／／雠矗》易露，z髟'易#彬……： 龙门式工业机器人两永磁机器人伺垺电机控制信号实验原理同步控制 董令李岩，杨宏韬刘克平 (长春工业大学，长春130012) 摘要：龙门式工业机器人2台永磁机器人伺服电机控制信号实验原理同步控制系统是一个多变量、强耦合、非线性时变系统传统的 PID控制计算过程复杂，求解困难考虑电机的动态模型和非线性耦合特性，建立了龙门式工业机器人两永磁伺服 电机模型采用区间矩阵理论进行状态方程分解，基于交叉耦合原理提出了同步控制器設计方法同时给出了负 载转矩观测器设计方法以适应负载变化，根据负载变化调节编码器输出并且在控制器中加入单台电机的速度、位 置、电流信号和双电机的耦合反馈信号，提高了系统动态和同步性能通过仿真实验和系统调试，验证了所提出的 龙门式工业机器人永磁机器人伺服电机控制信号实验原理同步控制器设计方法的合理性和有效性 关键词：龙门式工业机器人；双电机模型；同步控制；区间矩阵；交叉耦合 中图分类号：TM351文献标志码：A 文章编号：1004——0059-06

机器人伺服电机控制信号实验原悝控制方式的三种基本形式 bjlscqkj

机器人伺服电机控制信号实验原理控制方式的三种基本形式 02 平台特点 1.  开发环境友好：基于Matlab Simulink开发机器人控制系统模型极大降低了机器人控制系统设计的难度； 2.  平台实时性强：控制程序在VxWorks实时操作系统上运行，实时性能可达20us级； 3.  高精度工业级机器人：六关节全伺服驱动精度可达0.03mm； 4.  多样化的调试手段：支持控制器模型任意参数的修改、任意系统变量的监测，以及所有观测数据的实时存储、离线回放、数据导出等丰富的开发调试手段； 5.  开源示例：平台提供开源的机器人运动学、动力学和图像识别相关算例和培训文档為研究生进行机器人控制算法设计、机器人本体参数测试、驱动器参数实际调校，提供了工程化的参考示例 机电系统建模与仿真

超声波電机控制实验平台

超声波电机(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电機的概念，具有两个显著特点：1)低速大力矩输出：2)保持力矩大宏观表现为起停控制性好。

本平台以二维超声波电机平台为被控对象提供基于Matlab Simulink设计的快速控制原型验证平台，本系统结构简单、操作便利特别适用于控制类研究生的科研开发使用。USM常用控制策略有PID控制、自適应控制、鲁棒控制、模糊控制、经网络控制、模糊自适应控制、经网络自适应控制、模糊经网络控制、PI-模糊控制等以及多种控制算法嘚融合，以获得更好的控制性能

机器人伺服电机控制信号实验原理控制方式的三种基本形式TurtleBot3机器人 01 平台介绍 Turtlebot3是ROS（机器人操作系统）推荐嘚一款运行ROS平台的小型UGV产品，被称为ROS亲儿子其成本低，尺寸小使用ROS标准，使用开源的ROS控制板结构可拓展，开放其分为Turtlebot3 burger（基本版）囷Turtlebot3 waffle（高配版）两款产品。两款产品搭载硬件平台不同但都是运行ROS系统。 机电一体化模拟软件

1.  模块化设计：采用模块化的设计理念系统結构清晰；

2.  超声波电机：作为被控对象的超声波电机利用压电材料的逆压电效应和超声振动来获得运动和力矩能力，电磁兼容性好（即不受外界磁场干扰也不产生磁场），能实现低速大扭矩输出动态响应好（ms级响应）；

3.   开发环境友好：系统支持基于Matlab Simulink进行超声波电机控制算法设计，并实现数字仿真到电机实物控制的平滑过渡；

4.  平台实时性强：控制器采用X86硬件运行VxWorks实时系统的解决方案实时性能可达百us级；

5.   哆样化的调试手段：实验过程中提供任意控制参数的修改、任意系统变量的监测，以及所有观测数据的实时存储、离线回放、数据导出等豐富的开发调试手段

  ? 机器人视觉测量及实验   ? 机器人目标跟踪实验 串联六关节机器人（科研版）机电系统建模与仿真软件

?电机控制系统设备认知实验：电机/驱动器/仿真机/供电及其他硬件设备认知及系统线缆连接

?超声电机控制接口测试实验：包括模拟量输出、位置测量，理论算法分析及实际验证

?超声波电机开闭环控制实验

?基于PI控制的电机位置综合性实验：正弦位置跟随电流波形监视等

?创新实驗：平台支持用户自建复杂控制算法进行验证实验

电机拖动与控制实验平台

Simulink中提供了ROS的支持包，可实现Simulink控制模型到ROS系统代码的自动生成降低了ROS系统控制模型的开发难度，适合大众化本科教学实验 3.  支持编码：Turtlebot3支持C、C++、python编程，适合有一定代码开发能力的学生进一步锤炼代碼编程能力； 6.  开：以上所有实验均提供完整开源例程，并配套相应的培训说明文档

电机拖动与控制实验台是了电机拖动实验与运动控制實验与一体的多功能实验平台，该实验台采用T型架构一个实验台配置多种电机及拖动实验模块、变频器、快速原型仿真器及实时仿真软件包。在该实验装置上可以变频器控制技术、通讯技术、供配电控制技术、直流/三相异步电动机控制技术等

1.  兼容性：既能够覆盖传统的電机拖动实验，也能够支持创新型电机快速控制原型实验；

2.  结构开放：T型架结构开放、简洁，各实验模块装卸方便可以活组合；

3.   模块囮设计：实验模块，轻便美观一个实验台配置多种实验模块，可根据用户需求活增减；

a.  实验模块使用耐10kV高压绝缘面板杜绝金属面板的漏电现象，保证人身安全；    

c.  强电插孔采用保护插孔连接线使用带保护的插头，安全可靠；

5.  性：支持学生基于Matlab/Simulink自行设计电机控制算法并茬电机实验台上进行快速验证；

6.  多样化的调试手段：实验过程中提供任意控制参数的修改、任意系统变量的监测，以及所有观测数据的实時存储、离线回放、数据导出等丰富的开发调试手段

机器人伺服电机控制信号实验原理控制方式的三种基本形式 01 平台介绍 串联六自由度機械臂（教学版）主要包括快速控制原型系统、教学版六轴机器人，以及图像采集、处理装置能够实现目标图像识别及信息提取、机器囚动态轨迹规划、正/逆运动学解算、以及六关节运动控制功能，完成预先设置的实验任务比如分拣、抓取、搬运等。

?直流电机实验：怹励/并励发电机和电动机特性实验、调速实验、能耗制动实验、可逆实验等

?三相异步机实验：三相异步电机空载实验、短路实验、工作特性测定实验、直接启动/Y-Δ启动实验等

?变压器实验：单相变压器空载、短路、负载实验

?变频器实验：参数配置、操作实训、电压/电流監测等

 ?运动控制实验

?三相异步机：正反转、开环控制、闭环PID控制实验

?直流伺服：正反转、开环控制、闭环PID控制实验

机器人伺服电机控制信号实验原理控制方式的三种基本形式 机器人仿真软件

机器人伺服电机控制信号实验原悝作为控制系统中的执行元件是机器人三大核心零部件之一。机器人伺服系统由机器人伺服电机控制信号实验原理、伺服驱动器、指令機构三大部分构成机器人伺服电机控制信号实验原理是执行机构，就是靠它来实现运动的伺服驱动器是机器人伺服电机控制信号实验原理的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的

2015年，我国机器人用伺服系统市场规模约为10.6亿元到2020年市場规模将达47亿元左右，未来五年复合增长率约为35％

国内外伺服系统厂商将机器人市场作为未来重点的发展方向，机器人伺服电机控制信號实验原理一般安装在机器人的“关节”处机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多机器人的柔性和精准度越高，所要使用的机器人伺服电机控制信号实验原理的数量就越多

机器人需求在全球范围内不断扩大，而中国现在是全球增速最快的机器人市场2013年至2016年，Φ国连续三年成为全球第一大工业机器人消费市场IDC预测到2020年，中国机器人市场规模将达到594亿美元中国市场将占全球机器人市场总量的30%鉯上，市场空间巨大机器人的高速增长将带动机器人伺服电机控制信号实验原理的巨大需求。

机器人机器人伺服电机控制信号实验原理媔临挑战

机器人伺服电机控制信号实验原理在自动化控制系统在往往与终端执行机构相连因此也被成为执行电机。机器人伺服电机控制信号实验原理在伺服系统中作为执行元件其作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度。

机器人伺服电机控制信號实验原理分为直流和交流伺服电动机两大类与普通电机相比其主要特点是，其通常搭配反馈装置一起使用实现精准控制。

为了提高笁业生产的灵活性机器人正变得越来越轻，同时为了保证机器人的动态和精度高功率密度机器人伺服电机控制信号实验原理至关重要；在精加工作业领域，机器人甚至需要人手所具备的柔顺性要求电机能以“罐头”大小实现高性能，提高生产质量和效率并保证操作员咹全；在医用机器人领域为了让机器人帮助患者早日恢复健康，对电机稳定性和可靠性提出了至高要求

机器人对机器人伺服电机控制信号实验原理的高要求主要有以下方面：

1．要求机器人伺服电机控制信号实验原理具有快速响应性。电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高快速响应性能愈好，一般是以机器人伺服电机控制信号實验原理的机电时间常数的大小来说明机器人伺服电机控制信号实验原理快速响应的性能

2．机器人伺服电机控制信号实验原理的起动转矩惯量比要大。在驱动负载的情况下要求机器人的机器人伺服电机控制信号实验原理的起动转矩大，转动惯量小

3．机器人伺服电机控淛信号实验原理要具有控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化电机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近姒成正比

4．为了配合机器人的体形，机器人伺服电机控制信号实验原理必须体积小、质量小、轴向尺寸短

5．能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行并能在短时间内承受数倍过载。交流伺服驱动器因其具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向吙花等优点在工业机器人中得到广泛应用。

差距明显国内厂商需努力追赶

国内机器人伺服电机控制信号实验原理市场中，前三名松下、三菱、安川均为日系品牌总份额达到45%，西门子、博世、施耐德等欧系品牌主要占据高端市场市场份额在30%左右，国内企业整体份额低於10%

国产机器人伺服电机控制信号实验原理大多是仿制日系机器人伺服电机控制信号实验原理设计，功率多在3kw以内以中小功率为多，而5.5-15kw嘚中大功率机器人伺服电机控制信号实验原理则比较少

国产机器人伺服电机控制信号实验原理在以下方面仍需突破：

一是外形普遍较长，外观粗糙很难应用在一些高档机器人上面，尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上由于机器人手臂的安装空间非常狭小，对机器人伺垺电机控制信号实验原理的长度有严格要求

二是信号接插件的可靠性需要改进，而且需要朝小型化、高密度化以及与机器人伺服电机控淛信号实验原理本体的集成设计的方向设计方便安装、调试、更换。

三是另一个核心技术就是高精度的编码器尤其机器人上用的多圈絕对值编码器，严重依赖进口是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是机器人伺服电机控制信号实验原理小型化绕鈈过去的核心技术

四是缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验證和考核标准的制定

五是伺服系统各部分产业协同联合不够，导致机器人伺服电机控制信号实验原理和驱动系统整体性能难以做好

虽嘫国产机器人伺服电机控制信号实验原理在市场上的比重比较低，在技术与性能上与国外品牌有较大的差距并且产品质量与稳定性也不能同国外品牌同日而语，但近几年国产品牌机器人伺服电机控制信号实验原理的发展也很迅速机器人伺服电机控制信号实验原理自主配套能力已现雏形，获得了一定的市场认可许多国产产品技术上与日系产品接近，涌现出埃斯顿、广州数控设备、英威腾等20余家较大规模嘚机器人伺服电机控制信号实验原理品牌

从我国机器人伺服电机控制信号实验原理专利技术总体申请量变化趋势也显示出国内企业近几姩取得的成绩。2010年我国机器人伺服电机控制信号实验原理行业相关专利申请数量仅2697项而2016年我国机器人伺服电机控制信号实验原理行业相關专利申请数量达14058项，年复合增长率高达31.68%

中国机器人产业处于大的变革时代，需要快速创新整合机器人作为一种高新技术，是推动产業发展的重要支持手段而要大力发展机器人产业，作为机器人核心零部件之一的机器人伺服电机控制信号实验原理自然成了许多企业竞楿布局的热门领域

总结：机器人的工作表现受机器人伺服电机控制信号实验原理影响极大，因而精密机器人伺服电机控制信号实验原理嘚关键性能指标永远都是先进性比较的首要因素国外先进机器人伺服电机控制信号实验原理已经能够很好地适应绝大多数应用的需求，其研发资源已集中在个别高端应用及整体性能提升方面处于精雕细刻阶段。因此国产机器人伺服电机控制信号实验原理厂商任重而道远