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    工業機器人伺服電機的特點以及不同類型伺服電機相應的控制原理

      機器人的應用日漸廣泛,對工業生產與提高效能有重要作用。工業機器人主要利用伺服電機進行運動控制,從而實現移動和抓取工具。本文將詳細討論伺服電機的特點以及不同類型伺服電機相應的控制原理。

      運動控制原理

      運動控制與機器人密切相關。工業應用中的機器人必須透過由多款電機所構成的致動器才能自行移動,以執行任務或透過機器手臂抓取工具。

      機器人的運動控制系統通常由電機控制器、電機驅動、電機本體(多為伺服電機)組成。電機控制器具備智能運算功能,并可傳送指令以驅動電機。驅動可提供增壓電流,根據控制器指令以驅動電機。電機可以直接移動機器人,也可通過傳動系統或鏈條系統讓機器人移動。

      圖1:機器人的運動控制系統

      輸出類型

      移動機器人往往用于探索大范圍面積的土地,并能夠使用各種螺旋槳、機器腳、輪子、軌道或機器臂移動。例如各種NI展示平臺,包括VINI、VolksBot與Isadora。這些機器人分別使用了全向輪(Mecanum wheel)、一般輪以及機器手臂。而針對嵌入式控制,則可通過NI CompactRIO等嵌入式平臺,并整合實時控制器與FPGA。CompactRIO亦包含可重配置機箱,能夠容納多樣化的I/O配置,包含傳感器輸入與電機控制。

      VINI是使用全向輪的機器人平臺,能以多方向行進。除了像傳統輪子般的前進與后退,全向輪亦可將輪軸旋轉為相反方向,以任何方向行進。此款車輪已普遍用于必須能在狹小空間中移動的自動堆高機等應用。

      VINI還是一款地圖描繪機器人,通過NI工業級控制器與CompactRIO執行路徑規劃與數據處理作業。嵌入式的工業級控制器提供雷射掃描地圖,并執行機器視覺處理,讓CompactRIO接收傳感器數據,并在攝像機系統上控制伺服電機。

      圖2:VINI機器人

      VolksBot搭載的車輪是由德國的弗勞恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)所開發的。

      圖3:德國Fraunhofer Institute研究機構開發的RT3 VolksBot

      Isadora則是一種會跳舞的人形機器人,經由人類操作縮小版的機器人以取得輸入數據。接著開始移動自己的機器手臂與軀干,以模仿縮小版機器人的運動。Isadora采用2組CompactRIO,其中1組用于仿真已記錄的運動,另1組則是讓機器人重現運動軌跡。

      圖4:Isadora跳舞機器人

      伺服電機控制原理及其類型

      伺服電機是機器人應用中常見的一種電機,其基本控制原理是利用控制回路、結合必要的電機反饋,從而協助電機進入所需的狀態,如位置與速度等。由于伺服電機必須通過控制回路了解目前狀態,因此其穩定性高于步進電機。

      伺服電機有不同種類——帶刷式與無刷式。有刷伺服電機與無刷伺服電機之間的差異在于其通訊機制。伺服電機的工作原理是根據反向磁力,進而移動或建立轉矩。最簡單的例子有固定磁場與旋轉磁場。只要改變流過磁場的電流方向,即可變更磁極,并讓磁極(轉子)開始旋轉。變更線圈的電流方向,即所謂的“換相”(commutation)。

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