工业机器人（三）——控制方案

控制方案

控制系统是机器人重要组成部分，其主要功能是接收来自传感器的检测信号，驱动机械臂中电动机工作，进而带动机械臂移动到预定位置。本推文通过简单的实例（微型舵机）对机器人控制的简要过程进行介绍，主要内容如下：http://mpvideo.qpic.cn/0bf2fiaaeaaafqacodne25pfakwdaivaaaqa.f10002.mp4?dis_k=553ade61546ff733d55212956ade2b3d&dis_t=1642658788&vid=wxv_1312371144393293826&format_id=10002&support_redirect=0&mmversion=false

主要包含三个原件：1、电源（现输出电压为5V）；2、舵机测试器；3、微型舵机。机器人控制技术改进的方向有：1、跟踪性更好；2、抗干扰性更强；3、稳健性更优；4、多智能体协同控制等。

附件：电机控制原理及流程

1、电机主要包含那些种类，其调速原理是什么，在实际应用中如何选型？

电机主要分为动力电机和控制电机，然而每一种电机又包含多种型号，外行极其容易弄混，现进行归纳，具体如下图所示：

ps：电机的种类

目前小型无人机所用的都是无刷直流电动机，该电机取消了碳刷、滑环结构，具有启动转矩大，启动电流小，中、低速转矩性能好等优势；于此同时，具有无级调速范围广，体积小、重量轻，可靠性高，稳定性好等优势。本部分以无刷直流电机为例，构建无刷直流电机的数学模型，探究电机转速调节的方式，具体如下所示：

无刷直流电机的基本结构

无刷直流电机的等效电路为：

电机三相电压平衡方程为：

其中：uA,uB,uC——电机三相端电压（V）;iA，iB，iC ——绕组电流（A）；eAeBeC ——反电动势（V）；R ——线圈电阻（Ω）；L ——线圈自感（H）；M——线圈互感（H）

无刷直流电机传递函数框图，其中：La——三相绕组的电感；ra——三相绕组的电阻；Kt——电磁转矩系数（N·m/A）；Ke——电机反电动势系数（V/rpm）；Bv——电机粘滞摩擦系数（N·m·s）；Te——电磁转矩（N·m）；TL——电机轴上负载转矩（N·m）；J ——转子转动惯量（kg·m2）

无刷直流电机的传递函数如下所示，可知电压高低、外负载大小以及电机结构参数等都对电机的转速特性具有影响，因此，实际工业中通常是通过改变平均外加电压U 的方法，对无刷直流电机的转速进行调节，在电机的额定电压范围内，施加的平均电压越大，则电机转速越快。

PWM 调制技术把直流电压转变为具有一定规律的电压脉冲序列，并通过控制电压的脉冲宽度或者信号周期来改变平均电压，其主要方法有：

1、定宽调频法：保持Ton 时间不变，改变Toff，周期Ts 随之改变；

2、调宽调频法：保持Toff 时间不变，改变Ton，周期Ts 也随之改变；

3、调宽定频法：保持周期Ts 不变，同时改变Ton 和Toff 。

PWM 信号电压变化

2、 工业机器人如何使得机械臂运行到固定的位置，其工作过程是什么？

目前，电机控制器有单片机、DSP、FPGA等多种方式，各种方式具有不同的应用场合，例如：单片机具有价格低廉，开发周期短等优势，应用于一些算法简单的电机控制（民用消费品，对程序运行时间、电机控制精度等要求不高等场合，😅）；DSP数据处理能力较强、运算速度快，一般适用于高端复杂的电机系统（例如：歼20机翼偏转系统）

DSP进行电机转速控制时，为了确保可靠性，一般采用速度、位置等多层反馈

单片机电机控制基本框架（参考文献：哈尔滨工业大学，聂 磊）

3、 小舵机具体的结构是什么，系统包括有那些基本模块？

小舵机机械结构示意图

小舵机电器连接示意图

电机选型示例：https://www.maxongroup.com.cn/maxon/view/content/index

个人理解：Rogers前期的思想是采用柔性基地代替了电路板，相当于把电子电路这一套东西与力学相结合，做出了很多有意思的工作；感觉做原创性的研究，挺有必要了解事物的基本过程，希望能够逐步对电机、位置检测以及控制器相关模块进行二次开发，😄