关注|浅谈工业机器人中电机控制的几种方式

发布时间:2021-12-07

在我国的工业控制领域,工业机器人的用途越来越广泛,重物的搬运,机械的装配,管网的清淤、焊接、检测等领域都有它的存在,它在我们的生活中发挥着越来越重要的作用。

工业机器人主要由机械结构部分、电路硬件部分、嵌入式软件部分几个部分组成,对于设计者来说,想实现机器人高精度的复杂运动,难点主要在电路硬件部分的电机控制上,因此我们需要反复研究机器人的运动方式和其行为轨迹,根据不同机器人的功能采用相对应的电机控制方式,优化软件控制算法,从而实现高精度复杂的运动。


微信图片_202.jpg图1管网工业检测机器人


1、开环控制和闭环控制:

开环控制:举个例子,投篮,篮球出手后就无法再继续对其进行控制,无论球进与否,球出手的一瞬间控制活动即结束。这就是开环控制。

闭环控制:家里的饮水机或较先进的电水壶,它不用你管,水开了,自动断电;水冷了,自动接通电源进行加热。当温度超过设定温度之后,自动关闭加热功能,当低于设定温度,又重新开始加热。就是这样的一个反复循环,才有了恒定的温度。在外界看来,就是从开始烧水到最后保温,系统自动就能保持恒定的温度。也就是我们所说的闭环控制。


2、电机的开环控制方式:

电机若要旋转,首先具备两要素,电源供电电路和微控制器控制电路,电源可以外部供给,控制电路需要利用微控制器控制电机驱动电路,电机驱动电路驱动电机。只要有了供电电源和控制电路,电机就能正常旋转和变速了。

电机的开环控制是指只有微控制器控制电路而无反馈信息的系统控制方式。我们将整个电路供电,微控制器输出一定的占空比,输入电机驱动器,电机驱动器驱动电机,这种方式可以使得电机转动起来,我们可以通过微控制器来控制电机的正反转和转速大小,但是不会对电机的工作状态进行监测,当电机的转速失调时,系统无法再进行调节,当电机堵转卡死时,系统也无法知道,从而无法采取保护措施。因此采用开环控制设计的电机控制系统,控制时序非常重要,一旦出错,电机将烧毁,整个系统电路完全瘫痪,如果是较大的项目,将产生无法挽回的损失,因此实际中应用非常少。

2微信图片_202.jpg图2开环控制示意图

 

3、电机的闭环控制方式:

电机的闭环控制是指在开环控制电路的基础上,加上反馈电路,从而能够将电机的状态调整为稳态。电机控制电路部分与开环控制电路一样,反馈电路可以通过在电机的旋转轴上加上旋转编码器,旋转编码器的信号经过信号整形电路和信号滤波电路得到稳定的信号,微控制器可以通过读取旋转编码器处理之后的数据可以知道当前电机的转速,当电机实际转速超过我们设定的值时,我们可以调小微控制器的输出占空比降低电机转速,当实际转速小于设定的转速值时,可以通过调大微控制器的输出占空比增大电机转速。另外可以通过采集电机旋转时的电压值和电流值,可以知道当前电机是否处于过流或者过压状态,对电机当前状态进行更好的判断,当出现堵转等故障时,可以迅速的关闭电机进行保护。这种方式可以保证电机可靠的工作,在实际使用中较为广泛。


3微信图片_202.jpg图3闭环控制示意图


4、电机的双闭环控制方式:


在前面电机闭环控制的基础上,在电机减速装置之后再加上角度传感器,就可以实现双闭环控制,这种控制方式是为了保证双电机或多电机的实时同步旋转。要实现多电机的实时同步旋转功能,每一个电机都需要安装一个角度传感器,这样微控制器不仅可以通过读取旋转编码器处理的数据实现稳定的旋转,使得电机工作在稳定可靠状态,还可以通过读取角度传感器的处理的信号知道每一个电机的实时位置,这样就又构成了二级反馈电路,形成了电机的双闭环控制。当稳定旋转的两个电机或者多个电机的旋转角度出现偏差时,可以将角度偏差值进行处理,从而进行算法修正,调整微控制器的输出占空比,这样就实现了双电机或多电机的实时同步旋转功能。在实际使用中微控制器读取角度传感器的数据只需满足单圈可以采集20个点即可,一旦角度偏差超过固定阈值,即可迅速的对状态进行调整。

4微信图片_202.jpg图4双闭环控制设备



5微信图片_202.jpg图5双闭环控制示意图


5、总结:

相对于传统的人工模式,工业机器人更是一种思维上的转变,在我们未来生活中工业机器人的作用将会越来越大,控制算法也会越来越精细,为了保证工业控制领域的健康发展,在工业机器人的控制方面我们还应该不断创新,在精度上和算法上不断优化,让工业机器人更好地为我们的生活服务。

6微信图片_202.jpg来源:金迪管线


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