第四讲简易机器人的驱动与执行要点分析.pptVIP

第四讲、简易机器人的驱动与执行 单片机I/O口的驱动能力 8051单片机的I/O口一般能驱动4个LSTTL负载。高电平时最大拉出0.25mA电流，低电平时可灌入20mA电流（可带一个发光二极管）。使用时一般采用灌电流方式。 绝大多数应用都需另加驱动电路。 4.1常用功率驱动转换器件 1、电磁继电器 2、晶体管、场效应管 3、可控硅 4.1.1电磁继电器 1、构造与工作原理 2、应用实例 3、使用注意事项 4、优缺点 直流电磁继电器结构示意图 继电器应用例子 控制电灯的开关 3、使用注意事项 1、工作电压应符合线圈额定电压 2、驱动电流应满足要求 3、注意触点的允许电流 4、电磁继电器的特点 1、控制简单，通断干脆 2、控制回路与被控回路各自独立隔离 3、机械开关（既可控制交流回路也可控制直流回路） 4、触点易出现拉弧积炭，使用寿命较短 5、易产生电磁干扰 4.1.2 固态继电器 工作原理：使用可控硅（晶闸管）作为功率开关元件，光电耦合元件作为控制和隔离器件。 工作特点：1、无触点、寿命长。2、采用光耦隔离，抗干扰能力强。3、控制简单，可控功率大。4、适合交流控制应用。 单向可控硅结构示意图 可控硅工作原理 单向可控硅由PNPN四层半导体组成，并引出阳极、控制极和阴极。相当于两个互连的晶体管，当接上正向电压时，在控制极与阴极间加上触发信号，可控硅迅速导通。触发信号撤销后，可控硅保持导通，要使可控硅截止必须降低正向电压直到导通电流小于其维持电流或在控制极加反向信号迫使其关断。 固态继电器使用双向可控硅 固态继电器的内部电路及应用 内部电路图 有开关型和调相型 开关型作为交流电路功率开关。 调相型作为交流电路功率调节元件被广泛的应用于调压、可控整流、调光等场合 4.2 动力驱动 机器人的驱动动力主要有电气驱动、液压驱动和气压驱动等。简易机器人主要使用电气驱动。 电气驱动主要是电动机（直流电动机、交流电动机、步进电动机等）。 4.2.1 直流电动机 一、构造： 定子：由永磁铁或电磁线圈组成，小功率直流电机一般采用永磁铁，称永磁式电动机。 转子：由转动轴及固定在轴上的硅钢片和线圈组成。 换向器：电刷夹在转子线圈引出端。 直流电动机结构图 二、工作原理及工作特性 转子线圈通电后在定子磁场力的作用下产生偏转并在换向器的变向下朝一个方向旋转。 具有良好的线性调速特性。 控制简单，效率高。 三、控制电路 1、转向的控制（采用H桥电路） 2、转速的控制（采用PWM） H桥驱动芯片 转速的控制 脉宽调制（PWM）简介： 定频调宽法（T不变，T1、T2变） UO=αUS （α＝T1/T) 4.2.2 步进电动机 一、特点：1、角位移与输入脉冲成正比且在时间上同步，转速取决于脉冲信号的频率。2、容易实现启、停、变向、变速等控制。控制时间短。3、输出精度高，几乎没有累积误差。4、直接数字信号控制，与计算机接口方便。5、能提供较大的低速转矩（5倍于直流电机）。6、寿命长。 二、步进电动机的类型 1、永磁式：转子由永磁材料制成，是低成本低转速和低转矩的步进电机。其步距角较大，性能较差。 2、反应式：转子由软磁材料制成，产生中等转矩，步距角可以做得较小（0.9~15度）结构简单，成本低，但断电时没有保持力动态性能较差。 3、混合式：综合上述两种的优点，但结构复杂价格高。 三、反应式步进电动机的结构 由定子和转子组成，定子上有若干对磁极，每对磁极上绕有线圈。面向转子部分分布着梳状小齿。转子由软磁材料制成一个圆柱体，圆周上也分布着与定子相似的小齿，齿距相同。转子齿在圆周均匀分布而定子齿在磁极上，对于定子圆周来说属于不完全齿。设计电机时，转子小齿与定子某对磁极上的小齿对齿时（这时磁阻最小），其它磁极必须处在错齿的位置。例三相步进电机的结构如图： 例、三相步进电机结构及工作原理 定子有三对磁极（称A、B、C三相）相隔120度分布。设转子上有40个小齿，则齿距角为360°/40＝9° 设转子的0号齿与A相磁极的中心齿对齐（称对齿，这时磁阻最小），则B相中心齿将对着转子的13号齿过1/3齿距角（3°）处（错齿），C相对着26号齿过2/3齿距角处。 当A相通电时，转子0号齿与A相磁极对齿；A相断电对B相通电时，转子转1/3齿距角使B相对齿；B相断电而C相通电时，转子又转1/3齿距角…… 转子每步转过的角度称步距角。本例的步距角为3° 反应式步进电动机对结构的设计要求 定子绕组磁极的分度角不能被齿距角整除，否则无法形成错齿。 定子绕组磁极的分度角被齿距角整除后所得的余数，应是步距角的倍数且倍数值与相数不能有公因子，否则无法形成错齿。 四、三相步进电动机的工作方式 单三拍方式（A、B、C)：单（指每次对单相通电）；三拍（指电机换相三次，磁场旋转一周，转子移