发布时间 : 星期二 文章智能码垛机械手控制系统设计更新完毕开始阅读2cb8ee3ea58da0116d17497e
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根据以上计算方法，计算出小臂需要的交流伺服电机输出的力矩为4.37N，所以选择的交流伺服电机型号为MGMA，额定输出功率为900W；额定输出转矩8.62N；额定输入转速为1000rpm；驱动器为GS0100A。
大臂回转由交流伺服电机通过谐波减速器和锥齿轮驱动。当大臂与小臂、末端执行器等各部分对回转中心产生的静转矩最大，力矩会达到约14N。所以选择交流伺服电机型号为120MB300B-001000，其输出功率为3000W，额定转矩为14.32N，瞬间最大转矩为42.97N，额定转速为2000rpm，编码器为2500P/R，适配驱动器为GS0300A。
腰部回转由交流伺服电机通过伺服驱动器驱动。当腰部回转体与各部件对回转中心产生的转动惯量最大时，其交流伺服电机应输出的力矩为15.7N。所以选择的伺服交流电机型号为MGMA，额定功率3000W，额定转矩28.4N，额定转速为1000rpm。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态[12]。
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
2.4.3 驱动器的选择
本设计釆用由伺服电机和伺服驱动器组成的伺服控制系统作为码垛机械手的驱动系统。伺服控制系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值进行任意变化的自动控制系统。
伺服电机和伺服驱动器系统是一种高精度、高效率和智能化的运动控制方案，是自动控制领域比较流行的驱动方案。伺服电机自身可以将电信号转化为自身转轴的角位移或者角速度输出，本身具有启动转矩大、运行范围广，不会自转等优点。伺服电机自带的编码器可以反馈转轴转动产生的脉冲，配合伺服驱动器的位置环、速度环和电流环三环控制系统组成半闭环控制，可以实现精确定位、无级调速和转矩控制，广泛应用于精密机床、智能机械手、自动控制等领域[12]。
伺服驱动器又称伺服放大器、伺服控制器，用来完成伺服电机位置、速度、转矩的闭环控制。目前大部分的伺服驱动器都采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，可以实现各种复杂的控制计算。功率器件大都以智能功率模块(IPM)作为核心，IPM内部不仅包含集成驱动，还具有短路保护、欠压保护、过流保护、过热保护等功能。图2-8即为IPM电路框图，其中IGBT为绝缘栅双极晶体管，具有速度快、功耗低、抗干扰能力强等优点[2]。
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IGBT驱动输入集成驱动短路保护R报警输出或门过流保护过热保护欠压保护电源温度传感器输出端
图2-8 IPM电路框图
位置指令θ’+偏差计数器_θ速度指令ω’ω_电流指令i’i_伺服电机MD/AF/V脉冲倍频电路位置环速度环电流环编码器E
图2-9伺服控制系统的三环闭合回路
最内层的便是电流环，该环在伺服驱动器内部完成，它的输入设定值由外层 的速度环给出，将这个输入给定值同霍尔元件反馈给电机的各相的输出电流值进行比较，即 PID 调节，直到二者的差值趋近于零。事实上，该环实现的便是转矩的控制，有时也称其为转矩控制环，由于它是在驱动器内部完成，因此运算时间最短，响应最快。电流环的外层是速度环，速度环的输入由上层的位置环给出，反馈值由编码器给出，二者经过 PID 控制器，将比较值传送给电流控制部分。这里的 PID 调节主要是比例 P 和积分 I 的调节，没有微分 D 的调节。 最外层控制环为位置环，它包含了电流环和速度环，它的输入给定值是由指令控制器给出，反馈值同样来自于编码器脉冲信号，二者经过偏移量计数器运算后进行比例调节，输出值送给电流环作为输入。由于该环需要进行的计算量最大，因此运算时间最长，响应最慢。
伺服控制系统的三环闭合回路如图2-9所示，其中位置环由偏差计数器进行指令脉冲的加算和编码器反馈脉冲的减算，将偏差脉冲经过D/A (数/模转换)传递给速度指令发生器发出速度指令，进入速度环；速度环将编码器反馈的脉冲频率信号(PPS，每秒脉冲
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数)经F/V (频率/电压变换器)处理后和速度指令经过PI (比例积分)调节传递给电流环；电流环是伺服驱动器内部的闭环回路，将指令电流和电流互感器的反馈电流相减后经功率变换器传递给伺服电机，驱动伺服电机转动[2]。
以下是GS0300A驱动器有 8 种细分，8种电流供选择，还有控制方式：如速度，转矩和位置方式并具有过压、欠压、相电流和总电过流保护，其输入输出控制信号均采用光电隔离。
（1） GS0300A 驱动器特性[16]： ① 供电电源 24 - 75 VDC；
② 输出电流 拨码开关设定，8 种选择，最大 7.8 安培（峰值）；
③ 电流控制 PID 电流控制算法，高速大力矩输出，低振动，低噪音，低发热； ④ 细分设置 拨码开关设定，8 种选择：400，800，1600，3200，6400，12800，25600，51200 step/rev；
⑤ 速度范围 选配合适的步进电机，最高可达 3000rpm； ⑥ 控制方式 脉冲&方向模式； ⑦ 输入滤波 2MHz 数字信号滤波器；
⑧ 运行参数选择 16 位旋转拨码器选择电机参数及负载惯量比，使系统运行在最佳状态；
⑨ 空闲电流 在电机停止运行后 1.0 秒电流会自动减为额定电流的 50%或 90%。 （2）控制信号连接[16]
① 脉冲&方向信号 GS0300A 驱动器有 2 个高速输入口 STEP 和 DIR，光电隔离，可以接受 5-24VDC 单端或差分信号，最高电压可达 28V，脉冲信号为下降沿有效。电机运转方向取决于 DIR 电平信号，当 DIR 悬空或为低电平时，电机顺时针运转；DIR 信号为高电平时，电机逆时针运转。
② 使能信号 EN 输入使能或关断驱动器的功率部分，信号输入为光电隔离，可接受 5-24VDC 单端或差分信号，信号最高可达 28V。EN 信号悬空或低电平时(光耦不导通)，驱动器为使能状态，电机正常运转；EN 信号为高电平时(光耦导通)，驱动器功率部分关断，电机无励磁。当电机处于报错状态时，EN 输入可用于重启驱动器。首先从应用系统中排除存在的故障，然后输入一个下降沿信号至 EN 端，驱动器可重新启动功率部分，电机励磁运转。
（3）驱动器运行参数设定
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 SW8 运行电流设定 空闲电流设定 细分设定 自检 GS0300A 驱动器通过 SW1，SW2，SW3 拨码开关设定输出电流峰值，电流值可
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根据客户要求定制。开关 SW4 设置驱动器自动减流百分比。开关置为 ON 时，空闲电流将减为运行电流的 50%；置为 OFF 时，空闲电流减为运行电流的 90%。细分设定如表2-2所示。
伺服电机和伺服驱动器利用自身的位置、速度和电流局部闭环可以用在末端开环的控制系统中，组成半闭环控制系统，实现较高的定位精度。并具有较大的启动转矩和良好的起制动性能，而且可以在大范围内实现平滑无级调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载。并且伺服驱动器的接口可很方便地进行操作模块和现场总线模块的转换，同时使用不同的现场总线模块实现不同的控制模式，其稳态精度和动态性能都优于通用变频器[12]。
表 2-2 细分设定
细分（step/rev）
400 800 1600 3200 6400 12800 25600 51200
220V空开L1L2SW5 ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF
SW6 ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF
SW7 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF
伺服电机伺服驱动器WVUPEUVWPECN41234533CN5SIGN-（方向负）PULS-（脉冲负）SIGN+（方向正）PULS（脉冲正）DI1COM上电驱动方向脉冲XD-XP-+5V脉冲发生器XD-XP-电机线上位机编码器线 图2-10驱动器与伺服电机的电气原理图
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