学位论文典型工业机器人驱动器分析及设计研究说明书doc.docx
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学位论文典型工业机器人驱动器分析及设计研究说明书doc
2015届毕业生
毕业设计说明书
题目:
典型工业机器人驱动器分析及设计研究
院系名称：
电气工程学院专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
教授
2015年5月20日
1绪论
1.1研究背景
工业机器人是一种可以自行执行任务的装置，依靠自己本身的驱动力和控制力来代替人完成各种工作的机器。
它可以执行人的命令，也可以根据初始编译的程序执行任务，随着科技的发展,现代的技术使机器人可以自己行动,但是还是需要遵循所设定的人工智能技术的规则。
在工业生产中,有很多重复性高、耗费体力、危险性高的工作，如果由人类完成这样的工作，那么会效率十分的低。
在实际操作中,这样的工作都是由机器人来完成的，比如在热处理、焊接、塑料制品成形等工作环境较恶劣和压力铸造、装配等简单重复性工作，以及搬运核原料等高危险性工作。
各种各样不同用途的工业机器人相继发布，许多以前只存在于假设中的想法已经变成现实。
工业机器人有两个很适用于工业生产的性质,那就是通用性和适应性，工业机器人可以适应多品种、小批量的生产，从七十年代开始，工业机器人就和数字机床相结合，成为柔性制造中重要的的组成部分。
同时工业机器人具有精密的操作性,被广泛的用于一些对精密性要求很高的行业,比如精密仪器的加工、核工程以及医疗行业等等。
工业机器人自动化生产线如图1.1所示。
图1.1工业机器人自动化生产线
谈到工业机器人的发展就不得不提到日本。
日本工业机器人的普及领先世界上大部分国家,在上世纪九十年代就使用了许多工业机器人进行工业生产，与此同时达到了工业机器人发展的巅峰,从国家层面上看,日本政府很重视机器人的发展,这个从我们小时候看的动漫上就可以看的出来,比如铁臂阿童木,铁胆火车侠,铁甲小宝等。
而如今也在第发展三类工业机器人的路上取得了很棒的成就。
据研究表明,国外对工业机器人发展重点有以下三点：
仿生机器人与新型机构,机器人的定位与地图创建,机器人-环境交互。
在工业机器人基础方面的研究上,我国也下了很大的功夫,我国依托各大学和研究所研究了许多学科,执行机构上包括机器人运动学、机器人动力学、机器人构型等，机器人控制机构上包括机器人编程语言、机器人运动控制算法等学科，传感器方面包括机器人传感器研究，多传感器控制系统的研究等，工业机器人的重要技术我国基本上全部可以独立自主的生产研发。
在工业机器人控制系统上，中国已经研发出了多处理器和机器人分层控制系统，很多系统已经投入生产使用，而且中国在大型机方面的技术国际领先,主控机也在不断的更新换代。
下图为机器人焊接工作站。
机器人焊接工作站如图1.2所示。
图1.2机器人焊接工作站
中国制造业面临着向高端转变，承接国际先进制造的巨大挑战。
中国想要抓住这个历史机遇,必须加快工业机器人技术的研究开发与生产。
因此,我国需要继续发展工业机器人,不断地提高生产效率和产品质量。
首先,我国是一个制造大国,我们的目标是成为制造强国，无疑,大力发展工业机器人生产是实现这一目标的有力手段。
政府为了实现这一目标,需要对工业机器人产业有更多的政策支持，我国不单单要学习国外的经验，而且要吸取国外发展工业机器人的相关教训,未雨绸缪；第二，在国家制定大型科研计划中，应该对工业机器人研究相关项目给予更多的支持，打破工业机器人和自动化生产设备不相协调的局面；第三，在国产工业机器人质量已经与国外相当的前提下，企业应该优先国内采购,打破外国和尚好念经的局面,尽量自给自足。
1.2研究意义
工业机器人未来发展的方向是朝着智能仿生化方向发展，随着材料工程与科学、自动控制系统等学科不断发展，实验室实际操作经验不断的积累，工业机器人适用的场合正在不断的增加。
伴随互联网、物联网工程、工业4.0等概念不断地深入人心，精密型具有分布式控制系统的工业机器人的适用行业正在不断的增加，不知不觉不断地在改变传统制造业，使传统制造业逐步由生产型行业向着服务型行业转变。
日益增长的工业机器人市场吸引着许多世界工业机器人生产厂家的目光。
目前，我国进口工业机器人主要源自日本，但是随着国内具有工业机器人相关技术自有知识产权的企业不断增加，越来越多的工业机器人将由中国制造。
1.3工业机器人驱动器的发展
1.3.1工业机器人驱动器的历史及现状
工业机器人驱动器的发展与伺服电动机的不同发展阶段密切相关，从直流电机的发明到现在已经有一百多年的历史。
最早发明的电动机是直流电机，但是它的发展却是十分的缓慢，这是由于在当时相关电力电子元器件达不到实际的使用要求，但是到了二十世纪六十年代以后，随着半导体以及材料工程的发展，直流电动机得到迅速的发展，并在当时成为了随动系统中十分重要的驱动设备。
其实在直流电机发展起来之前呢，运用最广泛的是步进电机，当时磁阻式步进电机在数控机床设备中运用的最为广泛，当时的控制系统还是十分落后的，多为开环控制。
但是在现代，随着科技的发展，使用最多控制方式是闭环控制，而且随着方波、正弦波驱动的各种新型永磁同步电动机的研发成功，逐渐开始替代直流伺服电动机，占领整个市场。
众所周如，未来驱动器的发展离不开驱动器动力源的智能化，尤其是当今处于网络化时代，除了驱动器的智能化外，还需网络化。
新的时代提供了开阔的思路，也为驱动器未来的发展指明了方向。
根据对控制系统高性能的要求，现如今的大部分工业机器人驱动系统采用闭环控制方式。
伺服驱动器如图1.3所示。
图1.3工业机器人伺服驱动器
1.3.2工业机器人驱动器未来发展的方向
现代工业机器人驱动系统，已经逐渐向数字时代转变，数字控制技术已经无孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器、各种先进智能控制技术的应用等，把功能更加强大的控制器芯片以及各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服驱动系统当中，可以实现更好的控制性能。
分析多年来交流伺服控制系统的发展特色，总结市场上客户对其性能的要求，可以概括出交流伺服控制系统有以下几种热门发展方向：
（1）数字化随着微电子技术的发展，处理速度更迅速、功能更强大的微控制器不断涌现，控制器芯片价格越来越低，硬件电路设计也更加简单，系统硬件设计成本快速下降，且数字电路抗干扰能力强，参数变化对系统影响小，稳定性好；采用微处理器的数字控制系统，更容易与上位机通讯，在不变更硬件系统结构的前提下，可随时改变控制器功能。
在相同的硬件控制系统中，可以有多种形式的控制功能，不同的系统功能可以通过设计不同的软件程序来实现，且可以根据控制技术的发展把最新的控制算法通过软件编程实时的更新控制系统。
（2）智能化为了适应更为恶劣的控制环境和复杂的控制任务，各种先进的智能控制算法已经开始应用在交流伺服驱动系统中。
其特点是根据环境、负载特性的变化自主的改变参数，减少操作人员的工作量。
目前市场上已经出现比较成熟的专用智能控制芯片，其控制动静态特性优越，在交流伺服驱动控制系统中被广大技术人员所采用。
（3）通用化当前，控制系统都有多种工作模式，而且不同工作模式的切换无需改变系统硬件电路设计，应用范围宽广，而且可以控制多种类型的各种型号的电机，适用于多种类型的控制系统，系统的通用化无疑是驱动系统发展的大势所趋。
现如今，高性能的工业机器人驱动技术仍然被欧美日等发达国家所垄断，我国的交流伺服驱动市场80%以上被欧美日等国的伺服产品所占据，特别是高端设备中基本上看不到国产伺服产品的身影。
二十一世纪初期，我国加入WTO以后，随着我国开始变为世界工厂，为我国交流伺服技术的发展提供了广阔的市场空间，国内几家实力雄厚的交流伺服产品生产单位开始逐渐推出自己的产品，占领部分市场份额。
2工业机器人驱动系统设计分析
2.1工业机器人的组成结构
工业机器人主要由机械系统，包括执行机构和驱动机构、控制检测系统及智能系统组成。
工业机器人的组成结构图如图2.1所示。
图2.1工业机器人的组成结构
执行机构：
执行机构是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。
驱动机构：
为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。
常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
控制系统：
通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。
图2.2工业机器人各部分关系图
检测系统：
作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。
工业机器人各部分关系图如图2.2所示。
2.2工业机器人的驱动类型
2.2.1驱动系统的分类
工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。
根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。
这三类基本驱动系统的各有自己的特点。
一、液压驱动系统
由于液压技术是一种比较成熟的技术。
它具有动力大、力或力矩与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。
适于在承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。
但液压系统需进行能量转换，电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。
液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。
因这些弱点，近年来，在负荷为100kz以下的机器人中往往被电动系统所取代。
二、气动驱动系统
图2.3工业机器人气动驱动
气动驱动系统具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。
适于在中、小负荷的机器人中采用。
但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。
工业机器人气动驱动如图2.3所示。
三、电动驱动系统
由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。
这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。
大多数电机后面需安装精密的传动机构。
直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱动系统的高。
但因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。
2.2.2各驱动系统的特点
机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长，不同的驱动系统适用于不同的场合，在设计工业机器人驱动器的时候要按照需求来选择合适的驱动方式，在实际的工程应用中，根据实际的条件来选用一个最合适的驱动系统，各种驱动方式的特点见表2.1
表2.1三种驱动方式特点对照
内容
驱动方式
液压驱动
气动驱动
电机驱动
输出功率
很大，压力范围为50～140Pa
大，压力范围为48～60
较大
控制性能
利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制
控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂
响应速度
很高
较高
很高
结构性能及体积
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。
功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大
结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。
功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小
伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题
安全性
防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险
防爆性能好，高于1000kPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性
设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差
对环境的影响
液压系统易漏油，对环境有污染
排气时有噪声
无
应用范围
适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人
适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人
适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人等
机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：
（1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
（2）反应速度要快，即要求能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；
（3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
（4）安全可靠；
（5）操作和维护方便；
（6）对环境无污染，噪声要小；
（7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
2.3电动机特性分析
电动机驱动器类型包括：
直流伺服电动机驱动器、同步式交流伺服电动机驱动器、步进电动机驱动器、直接驱动、特种驱动器。
伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。
伺服系统结构图如图2.4所示。
数字式伺服系统结构框图如图2.5所示。
伺服系统主要有以下几种特点：
（1）控制量是机械位移或位移的时间函数；
（2）给定值在很大的范围内变化；
（3）属于反馈控制；
（4）能使输出量快速准确地随给定量变化；
（5）输入功率小，输出功率大；
（6）能进行远距离控制；
图2.4伺服系统结构图
图2.5数字式伺服系统结构框图
直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制伺服驱动器。
其作用原理是通过改变脉冲宽度来改变加在电动机两端的平均电压，达到改变电动机的转速的目的。
PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中作为直流伺服电动机的驱动器而广泛使用。
在控制系统中，通常用电枢电压作为控制信号，电压的大小与电机转速成正比，改变电压极性，电动机的方向也随之改变。
根据电枢反应原理，电机转速n的计算公式为
公式中
，而
为电枢电压，
为转矩常数，
为电枢电阻，
为电势常数，电机的电磁转矩
应为
为电枢电流，
为常数，
为磁通量。
同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。
同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制三相逆变器和多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的控制。
根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，它又可分为两种伺服系统：
（1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。
（2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。
采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机，采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。
一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：
（1）位置控制方式；
（2）速度控制方式；（3）转矩控制方式；（4）位置、速度混合方式；（5）位置、转矩混合方式；（6）速度、转矩混合方式；（7）转矩限制；（8）位置偏差过大报警；（9）速度PID参数设置；（10）速度及加速度前馈参数设置；
步进电动机驱动器在小型机器人中应用广泛，它是将脉冲信号变换为角位移或直线位移的装置，优点是在负载能力的范围内，位移量与脉冲数成正比、速度与脉冲频率成正比不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。
而且步进电动机驱动器还具有误差不长期积累，驱动系统可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，实现快速起动、正反转制动等优点。
缺点是存在过载能力差、调速范围小、低速运动有脉动、稳定性差等，所以一般只应用于小型或简易型机器人中。
3工业机器人驱动器设计实例分析
3.1工业机器人IRBL6/2驱动器分析
在正式设计驱动器之前，需要对实例进行分析，本节分析对象为瑞典ABB公司的IRBL6/2型号工业机器人，图3.1、3.2、3.3分别是IRBL6/2型号工业机器人各个轴和驱动单元的电路图，对图进行分析对工业机器人驱动器的设计研究有很大的帮助。
图3.1IRBL6/2驱动单元与轴驱动器
图3.2IRBL6/2驱动单元与轴驱动器
我们都知道电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的电动机驱动器，驱动单元和电动机直接啮合，也可以理解成电动机控制器的功率接口。
既然是功率接口，那么就得给电动机提供合适大小的电流和电压，这一部分的工作是由电源板和整流器共同完成的，其中电源板的作用就是提供给电动机合适的电压。
图3.3IRBL6/2驱动单元与轴驱动器
可以看到，最右边是一个整流器，他是一个可以把交流电转换为直流电的装置，可以用于供电装置及侦测无线电信号等。
还可以给蓄电池提供充电电压。
因此，也可以起到充电器的作用。
控制板提供脉冲信号和控制信号，并按照预先设定好的逻辑时序进行分配，控制板按照控制器的要求严格沿着轨迹和速度在一定精度范围内运动，速度是可控的，运动是平稳的，力矩也是可以控制的来完成任务。
BLOCK是和轴相连的马达，用以控制制动马达。
IRBL6/2驱动单元实物图如图3.4所示。
图3.4IRBL6/2驱动电路实物图
图3.5轴1驱动电路
制动器通常是按失效抱闸方式工作的，松开制动器就必须接通电源，否则，不能产生相对运动，接通电源时，抱闸线圈通电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦和闸轮分开，电动机正常运转。
断开开关，电动机失电，电磁抱闸线圈失电，衔铁在弹簧拉力的作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被制动而停转。
同步开关接受控制器传输过来的信号，多轴协同操作，以保证工作正常的进行。
图3.6轴2驱动电路
图3.5、3.6分别是IRBL6/2型号工业机器人三个轴上臂，下臂，旋转部分驱动单元的电路图。
图3.7是驱动单元实物图。
发动机是直接驱动机器人工作的装置，测速器将实际应用中的相关运动学数据测试出来，传输给控制器，控制器根据工程需要，对发动机的相关参数进行调节，以保证工作的正常进行。
图3.7IRBL6/2驱动单元实物图
3.2工业机器人M2000驱动器分析
M2000是一种动力强劲的紧凑型6轴机器人，其显著特点是加速快、工作空间大和承载能力强。
它是一种应用十分广泛的工业机器人,通过对M2000驱动系统的分析,可以对工业机器人驱动器有更深的了解。
M2000的驱动系统框图如图3.8所示。
图3.8M2000的驱动系统框图
在控制信号的作用下，伺服驱动单元驱动机器人执行任务，整流器与分压器的作用是为了给执行机构提供合适的电源。
机器人具体的驱动器工作原理如图3.9所示。
图3.9M2000驱动器工作原理图
基本控制单元和控制器相连接,负责驱动器基础性的控制,连接单元负责和机器人的各个部位连接,信息的交换和指令的接受,散热单元负责控制驱动器内部温度的控制,使驱动器不会因为高温造成损伤,电源线和电源相连接,通过整流器和分压器来给驱动电路提供合适的电流和合适的电压。
图3.10M2000驱动器12轴和34轴工作原理图
M2000驱动器12轴和34轴工作原理图如图3.10所示，可以看到12轴的驱动单元由同一块集成电路控制，同样的34轴的驱动单元也是由同一块集成电路控制，不难了解到12轴协同操作或者是34轴协同操作响应速度一定会很快，同时，控制精度也会相应的提高，而且这也是分布式控制的一种体现，如果系统某一部分故障，并不会导致系统整体瘫痪，大大提高了系统的可靠性。
图3.11M2000驱动器23轴和16轴工作原理图
M2000驱动器23轴和16轴工作原理图如图3.11所示。
图中两个驱动单元各自驱动23轴和16轴，协同驱动以保证系统快速准确相应，由汇流线将驱动电路上的线束汇流，然后连接到机器人的各个部分。
控制电缆是从电力系统的配电特点出发把电能直接传输到各种用电设备器具的电源连接线路，控制电缆是用来传输控制信号用的。
图3.12M2000驱动器356轴和124轴工作原理图
M2000驱动器356轴和124轴工作原理图如图3.12所示，集成电路用于控制三个轴的驱动，三轴协同执行任务，精度准确度得到了保证。
图3.13M2000驱动器工作原理框图
M2000驱动器工作原理框图如图3.13所示。
完整实现驱动器的功能，单单靠伺服驱动是远远不够的，需要整流器分压器提供合适的电压电流，信号传输装置传送的信号准确可靠，控制部分控制灵活，精准，在紧急情况下可以迅速的将机器人制动，减少事故造成的损失。
而且机器人各个部分的连接要牢固，不能发生问题。
M2000驱动器工作原理电路图如图3.14所示。
图3.14M2000驱动器工作原理电路图
4工业机器人驱动器设计研究
在工业机器人中，交流永磁同步电机驱动器无疑是性能很优越的一种驱动器，它以硬件电路为载体，设计出的具有良好性能的硬件电路在一定程度上可以使得软件设计变得简单、高效，有效的降低了工业机器人的成本。
本章首先根据在前面对工业机器人驱动器原理分析，设计出可供实现SVPWM算法的永磁同步电机驱动器硬件电路原理图，然后分模块对驱动器硬件电路的每个部分进行了详细的设计实现。
4.1系统硬件总体方案
目前实现的工业机器人驱动器硬件基础以DSP+FPGA为主，还有单片机、FPGA单独为硬件基础实现的，随着FPGA性能的提高，为在FPGA实现电机控制算法提供了良好的基础。
其中应用单片机实现电机控制的都是低端控制速度、精度比较低的场合。
系统硬件结构框图如图4.1所示。
图4.1交流永磁同步电机驱动器硬件原理框图
系统主要组成部分有：
主回路由整流电路、隔离电路、逆变电路构成;控制电路以dsPIC为核心器件，输出控制IGBT工作的PWM波，以永磁电机反馈的编码器位置信息、霍尔传感器反馈的初始位置信息来实现对电机的位置和速度控制，以直流母线电流采样值为电流环的反馈值实现电流控制;保护电路，硬件构成的过欠压保护电路、过流保护电路。
4.2主控芯片介绍
本工业机器人驱动器采用dsPIC系列芯片作为主控制器，dsPIC30F系列微控制器是微芯公司为交流感应电机、有刷直流电机、交流永磁同步电机和无刷直流电机控制技术开发的电机控制芯片。
该系列电机控制芯片采用16位架构具有DSP的计算能力、单片机的控制能力，这种微控制器特别适合于重复计算的相关领域，如喷涂工业机器人，搬运工业机器人等，如图4.2为dsPIC30F系列微控制器的最小系统电路图。
图4.2主控芯片最小系统电路
本驱动器采用dsPIC30F4011作为主控芯片，高性能微控制器采用改进的哈弗结构，具有灵活寻址模式的C语言编译优化指令架构，24位宽指令，16位宽数据总线，最高30MIPS的工作速度，30个中断源，具有16x16位工作寄存器阵列。
在数字信号处理方面具有双数据读取操作，DSP操作的累加器回写，模式寻址和位反转寻址模式，两个40位宽的累加器具备可选饱和逻辑，17x17位单周期硬件乘法器。
本系列芯片为驱动器设计的外设模块，特别适合作为工业机器人驱动器的核心器件。
具有如下特性:
（1）电机驱动PWM模块特性:
3个占空比发生器;
专用时基;
可编程输出极性;
用于互补模式的死区控制;
手动输出控制;
用于A/D转换的触发器。
（2）正交编码器接口特性:
A、B、Z相脉冲输出;
16位递增/递减位置计数器;
输入端具有可编程噪声滤波器;
计数方向状态;
位置计数器溢出中断;
位置测量模式。
（3）模拟特性:
带有4个S/H（采样保持）10位宽输入的模数转换器;
可编程欠压复位功能。
除此之外，本微控制器还有其他通用接口，例如URAT、SP
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