第8章 驱动器与传感器

ching

2019/09/02 发布于 教育 分类

文字内容
1. 第8章 驱动器与传感器 第8章 机器人学简明教程 驱动器与传感器 8.1 直流伺服电动机 8.2 舵机 8.3 旋转编码器
2. 第8章 驱动器与传感器 机器人伺服系统,按驱动器的类型可分为液压伺服系统、 气动伺服系统和机电伺服系统。前两者特色明显,但应用范 围有一定的限制。而机电伺服系统的能源是可以用最方便最 灵活的方式加以利用的电能,其驱动元件是可按各种特定需 求设计和选用的电动机。机器人伺服系统中常用的电动机有 直流伺服电动机(DCservomotor)和舵机(Steeringengine) 等。另外在伺服系统中,通常采用传感器(如旋转编码器、 电位器等)采集电动机的转速、位置等输出信息,这些信息 被回馈给系统的输入端,构成反馈闭环控制系统。
3. 第8章 驱动器与传感器 通常情况下,在机器人伺服系统中,驱动装置采用的是 一体化产品,即在直流伺服电动机(或舵机)本体的基础上 同轴安装有减速器及位置/速度传感器。 图8-1(a)为一体化直流伺服电动机系统的外观图,图8 -1(b)为一体化舵机系统的外观图,图8-1(c)为系统构成示 意图。
4. 第8章 驱动器与传感器 图8-1 一体化电动机伺服系统
5. 第8章 驱动器与传感器 8.1 直流伺服电动机 1.直流电动机的基本结构 图8-2为直流电动机的结构示意图,图8-3为直流电动 机横截面示意图。 从图8-2、图8-3可见,直流电动机主要由定子和转子 两大部分组成。定子用来产生磁场并做为电动机的机械支撑, 它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等,静止的电刷 装置也固定在定子上。定子中的励磁绕组通以直流电以产生 主磁场。转子上用来感应电动势而实现能量转换的部分称为 电枢,它包括电枢铁芯和电枢绕组,还有换向器、轴、通风 冷却用的风扇等。
6. 第8章 驱动器与传感器 图8-2 直流电动机的结构示意图
7. 第8章 驱动器与传感器 图8-3 直流电动机横截面示意图
8. 第8章 驱动器与传感器 2.直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如图8-4所示。如果在电刷A、 B两端加上直流电压,电刷A为“+”,B为“-”,则电流 i的方向为从电刷A流进电枢,从电刷B流出。根据“毕-萨 电磁力定律”载流导体ab、cd受电磁力为 f=Bil (8-1) 式中,f为作用于载流导体上力的大小,方向用左手定则来确 定;B为磁感应强度;i为导体内流过的直流电流;l为导体的 有效长度,即每根导体切割磁力线部分的长度。
9. 第8章 驱动器与传感器 图8-4 直流电动机的工作原理
10. 第8章 驱动器与传感器 从图8-4可见,两个载流导体ab、cd所受到的力均为f, f与电枢半径的乘积就是转矩,称为电磁转矩。这里电磁转 矩的方向是顺时针的,电磁转矩就是直流电动机的驱动转矩。 显然当电刷A、B两端加上直流电压不变时,旋转的载 流导体ab和cd中的电流方向是交变的,即S极下电流方向始 终从里到外,而N极下的电流方向始终从外到里,所以电动 机的转矩大小和旋转方向保持不变。
11. 第8章 驱动器与传感器 3.直流电动机的铭牌 每一台直流电动机上都有一个铭牌,上面标明电动机的 额定数据,它是用户使用电动机的依据。这些数据有: (1)额定功率PN,单位W或kW。额定功率是电动机在 铭牌规定的额定运行条件下输出的机械功率。 (2)额定电压UN,单位V。额定电压是在额定运行条件 下,直流电动机的输入电压。 (3)额定电流IN,单位A。额定电流是电动机在额定电压下 运行,输出功率为额定功率时,电动机的输入电流。直流电 动机的额定电流可由下式计算 PN 103 IN  U N N (8-2) 式中:ηN为电动机在额定状况下运行时的效率。
12. 第8章 驱动器与传感器 (4)额定转速nN,r/min。 额定转速是电动机在额定电压下运行,输出功率为额定 功率时转子的转速。 (5)额定效率ηN。额定效率是电动机在额定工况下,输 出功率与输入功率之比的百分数。 (6)额定励磁电压Uf,单位V。额定励磁电压是指电动机 在额定工况下,励磁绕组两端的电压。
13. 第8章 驱动器与传感器 (7)额定励磁电流If,单位A。额定励磁电流是指电动机在 额定工况下,励磁绕组中的电流。 直流电动机轴上的额定转矩用T2N表示,其大小为 T2 N PN PN PN    9.55  N 2 nN / 60 nN 式中,PN的单位为W;nN的单位为r/min;T2N的单位为N·m。 若PN的单位为kW时,系数9.55应改为9550。
14. 第8章 驱动器与传感器 4.直流电动机的感应电动势与电磁转矩 1)感应电动势 根据电磁感应定律,直流电动机运转时,电枢元件切割 主磁场,因此会产生感应电动势。感应电动势是指电动机正、 负电刷间的电动势。由电动机学相关文献可知,感应电动势 的计算公式为 E a  Ce  n (8-4) 式中,Φ为每极磁通,单位为Wb;n为电机转速,单位为 r/min;Ce为电势常数,对于已出厂的直流电动机,Ce为常 数,所以直流电动机的感应电动势与磁通和转速之积成正 比。
15. 第8章 驱动器与传感器 2)电磁转矩 当电枢元件中有电流时,直流电动机在磁场中运动,根 据毕-萨电磁力定律,其会受到电磁力的作用,因而会产生 电磁转矩。由电动机学相关文献可知,电磁转矩的计算公式 为 Tem  CT I a (8-5) 式中,CT为常数,称为转矩常数。 对于已出厂的直流电动机,CT为常数,所以直流电动 机的电磁转矩与磁通和电枢电流成正比,其中CT=9.55Ce。
16. 第8章 驱动器与传感器 5.直流电动机的基本方程 在机器人伺服系统中所用的直流伺服电动机大多采用永 磁励磁方式,即主磁极采用永磁铁来产生恒定的磁场。永磁 励磁方式属于他励的特例,他励直流电动机运行原理如图 8-5所示。 图8-5 他励直流电动机运行原理
17. 第8章 驱动器与传感器 1)电压平衡方程式 他励直流电动机的等效电路如图8-6所示。 图8-6 他励直流电动机等效电路及参考方向
18. 第8章 驱动器与传感器 根据图8-6中的参考方向,可列出他励直流电动机的电 压平衡方程式为 U d  Ea  I a ra  2U c  Ce n  I a Ra (8-6) 2)功率平衡方程式 直流电动机电压平衡方程式(8-6)两边同乘以电枢电流Ia, 可得电动机的功率平衡方程式 2 U d I a  I a ra  Ea I a  2U c I a (8-7) 2 式中, U d I a  P1 为电动机输入的电功率; I a Ra  pCua 为电枢回路 绕组电阻损耗; Ea I a  Pem 为电动机的电磁功率; 2U c I a  pc 为电 刷的接触损耗。
19. 第8章 驱动器与传感器 根据以上功率的定义,电动机电枢回路的功率平衡方程 式可写为 P1  Pem  pCua  pc (8-8) 当电动机电枢转动时,转动部分有如下机械损耗: (1)机械损耗pmec。 机械损耗pmec包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定转子与 空气的摩擦及通风的风摩损耗。 (2)铁芯损耗pFe。 铁芯损耗pFe是由于电枢转动时主磁通在电枢铁芯内交变, 引起齿部及电枢铁轭中的磁滞损耗和涡流损耗。铁芯损耗pFe 与磁通交变频率及磁通密度最大值有关,实际计算中统称为 铁芯损耗。
20. 第8章 驱动器与传感器 (3)杂散损耗pad。杂散损耗pad又称附加损耗,产生的 原因很多,也很难准确计算,通常用估计办法来确定。无补 偿绕组电机的直流电动机在额定负载时杂散损耗约为额定功 率的1%,有补偿绕组电动机的杂散损耗为额定功率的0.5%, 这样处理的结果,相当于把附加损耗看做为不变损耗了。 这样,当电动机拖动负载转动时,直流电动机的功率平 衡方程式为 P1  Pem  pcua  pc  P2  pcua  pc  pmec  pFe  pad  P2  p (8-9)
21. 第8章 驱动器与传感器 图8-7 他励直流电动机功率流程图
22. 第8章 驱动器与传感器 3)转矩平衡方程式 根据图8-7,得到电动机的转矩与功率关系为 Pem P2 p0      (8-10) 式中,Pem/Ω=Tem为电动机电枢的电磁转矩;P2/Ω=T2为电动 机输出转矩;p0/Ω=T0为电动机的空载转矩。因此,电动机转 矩平衡方程为 Tem  T2  T0 (8-11)
23. 第8章 驱动器与传感器 6.电力拖动系统运动方程 图8-8为一单轴电力拖动系统,电动机在电力拖动系统 中做旋转运动时,必须遵循下列基本的运动方程式。 图8-8 单轴电力拖动系统
24. 第8章 驱动器与传感器 旋转运动的方程式为 d Tem  TL  J dt (8-12) 式中,Tem为电动机产生的拖动转矩(N·m);TL为负载转矩 (N·m);JdΩ/dt为惯性转矩(或称动转矩),J为转动惯量,可用 下式表示 2 GD J  m 2  4g (8-13) 式中,m、G分别为旋转部分的质量(kg)与重量(N);ρ、D 分别为转动惯性半径与直径(m);g为重力加速度,g=9.81 m/s2,J的单位为kg·m2。
25. 第8章 驱动器与传感器 需要说明的是,式(8-12)中忽略了电动机本身的损 耗转矩T0,认为电动机产生的电磁转矩全部用来拖动负载。 在实际计算中常用式(8-12)的另一种形式,即将角 速度Ω=2πn/60(Ω的单位为rad/s,n的单位为r/min)代入式(8 -12)得运动方程式实用形式 GD 2 dn Tem  TL  375 dt (8-14) 式中,GD2为飞轮矩(N·m2),GD2=4gJ;375是具有加速度量 纲的系数。
26. 第8章 驱动器与传感器
27. 第8章 驱动器与传感器 7.他励直流电动机的机械特性 电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem 之间的关系,即n=f(Tem),机械特性是电动机机械性能的主 要表现,它与运动方程式相联系,是分析电动机启动、调速、 制动等问题的重要工具。 根据图8-6可以列出电动机的基本方程式为 感应电动势方程: Ea  Ce n 电磁转矩: Tem  CT I a 电压平衡方程: 电枢总电阻: U d  I a R  Ea R  Ra  Re
28. 第8章 驱动器与传感器   f (i f ) 磁通: 励磁电流: if  Uf Rf 将式(8-4)和式(8-5)代入电压平衡方程式(8-6) 中,可得机械特性方程式的一般表达式 Ud R n  T 2 em Ce  CeCT  (8-15) 在机械特性方程式(8-15)中,当电源电压Ud、电枢总电 阻RΣ、磁通Φ为常数时,即可画出他励直流电动机的机械特性 n=f(Tem),如图8-9所示。
29. 第8章 驱动器与传感器 图8-9 他励直流电动机的机械特性
30. 第8章 驱动器与传感器 由图8-9中的机械特性曲线可见,转速n随电磁转矩Tem 的增大而降低,是一条向下倾斜的直线。这说明:电动机加上 负载,转速会随负载的增加而降低。 下面讨论机械特性上的两个特殊点和机械特性直线的斜 率。 1)理想空载点A(0,n0) 在式(8-15)中,当Tem=0时,n=Ud/CeΦ=n0称为理想空 载转速,即 Ud n0  Ce  (8-16)
31. 第8章 驱动器与传感器 由式(8-16)可见,调节电源电压 U d 或磁通  ,可以改变理想 ' 空载转速 n0 的大小。必须指出,电动机的实际空载转速 n0 比 n0 略 低,如图 8-9 所示。这是因为,电动机在实际的空载状态下运行 时,其输出转矩 T2  0 ,但电磁转矩 Tem 不可能为零,必须克服空 ' 载阻力转矩 T0 ,即 Tem  T0 ,所以实际空载转速 n0 为 Ud R R n   T  n0  T 2 0 2 0 Ce  CeCT  CeCT  ' 0 (8-17)
32. 第8章 驱动器与传感器 2)堵转点或启动点B(Tst,0) 在图8-9中,机械特性直线与横轴的交点B为堵转点或 启动点。在堵转点,n=0,因而Ea=0,此时电枢电流Ia=Ud/RΣ =Ist称为堵转电流或启动电流。与堵转电流相对应的电磁转 矩Tst称为堵转转矩或启动转矩。
33. 第8章 驱动器与传感器 3)机械特性直线的斜率 式(8-15)中,右边第二项表示电动机带负载后的转速 降,用Δn表示,则 R n  T  Tem 2 em CeCT  (8-18) 式中,β=RΣ/CeCTΦ2为机械特性直线的斜率。在同样的理想 空载转速下,β越小,Δn越小,即转速随电磁转矩的变化较小, 称此机械特性为硬特性。β越大,Δn也越大,即转速随电磁转 矩的变化较大,称此机械特性为软特性。
34. 第8章 驱动器与传感器 将公式(8-16)及式(8-18)代人式(8-15),得机械特性方程 式的简化式为 n  n0   Tem (8-19) 当他励电动机的电源电压Ud=UN、磁通Φ=ΦN、电枢回 路中没有附加电阻,即Re=0时,电动机的机械特性称为固有 机械特性。固有机械特性的方程式为 UN Ra n  T 2 em Ce  N Ce CT  N (8-20)
35. 第8章 驱动器与传感器 图8-10 他励直流电动机的固有机械特性
36. 第8章 驱动器与传感器 8.他励直流电动机的降压调速 绝大多数生产机械都有调速要求。他励直流电动机的机 械特性见式(8-15),稳态时,电动机的电磁转矩Tem由负 载TL决定,故要调节转速n,可以通过改变电压Ud、改变电 枢回路总电阻RΣ、改变磁通Φ三种方法,其中降压调速是普 遍采用的方法。
37. 第8章 驱动器与传感器 降压调速的原理可用图8-11说明。设电动机拖动恒转 矩负载TL,在额定电压UN下运行于A点,转速为nA,如曲线 1所示。现将电源电压降为U1,忽略电磁惯性,电动机的机 械特性如曲线2所示。由于电动机的转速不能突变,由特性1 变为特性2,转速不变,于是,电动机的运行点由A点变为C 点。在C点,对应的电磁转矩为TC,TC
38. 第8章 驱动器与传感器 图8-11 他励直流电动机的降压调速
39. 第8章 驱动器与传感器 9.他励直流电动机的PWM调速方法 目前,直流电动机大多采用脉冲宽度调制 (PulseWidthModulation,PWM)方法进行调压调速,图8- 12为广泛使用的桥式PWM变换器电路。 图8-12 桥式PWM变换器电路
40. 第8章 驱动器与传感器 如果加在开关管上的驱动电压波形如图8-13(a)所示, 则加在电动机电枢两端的电压U、电枢中流过的电流id、电 枢两端的平均电压Ud的波形如图8-13(b)所示,此时电 动机正转。 如果加在开关管上的驱动电压波形如图8-14(a)所示, 则加在电动机电枢两端的电压U、电枢中流过的电流id、电 枢两端的平均电压Ud的波形如图8-14(b)所示,此时电 动机反转。 其中平均电压的计算公式为 ton T  ton  2ton  Ud  Us  Us    1 U s   2   1U s T T  T  (8-21) 式中,ρ为占空比,0≤ρ≤1。
41. 第8章 驱动器与传感器 从图8-13、图8-14及式(8-21)可以看出,调整占 空比ρ的大小,可以改变电动机的转速及转向。当0.5<ρ≤1时, 平均电压Ud为正,电动机正转;当ρ=0.5时,平均电压Ud为 零,电动机停转;当0≤ρ<0.5时,平均电压Ud为负,电动机 反转。 电动机的平均转速与平均电压之间的关系为 Ud R R n  Te  n0  Te Ce Ce Cm Ce Cm (8-22)
42. 第8章 驱动器与传感器 图8-13 正向运转波形
43. 第8章 驱动器与传感器 图8-14 反向运转波形
44. 第8章 驱动器与传感器 8.2 舵 机 1.模拟舵机 1)模拟舵机的基本结构 图8-15为常用模拟舵机的外观图,图8-16为其内部结 构图。一般来讲,模拟舵机主要由外壳、舵盘、减速齿轮组、 位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等组成,是一种具 有闭环结构的位置伺服驱动器。
45. 第8章 驱动器与传感器 图8-15 常用模拟舵机的外观图
46. 第8章 驱动器与传感器 图8-16 模拟舵机内部结构图
47. 第8章 驱动器与传感器 通常模拟舵机的输入线共有三条,中间红色线是电源线, 一根棕色的是地线,这两根线给舵机提供最基本的能源保证, 主要是电机的转动消耗。另外一根线是控制信号线,Futaba 的产品一般为白色,JR的产品一般为橘黄色。电源有两种 规格,一是4.8V,一是6.0V,分别对应不同的转矩标准。
48. 第8章 驱动器与传感器 2)模拟舵机的控制信号 模拟舵机的控制信号为周期是20ms的PWM信号,其中脉 冲宽度通常从0.5ms~2.5ms,相对应输出轴的位置为0°~180°, 呈线性变化。PWM信号经电路板上的IC处理后计算出转动方 向,再驱动电机转动,通过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由 位置检测器(位置检测器其实就是可变电阻,当舵机转动时电 阻值也会跟着改变,测量电阻值便可知转动的角度。)返回位 置信号。 一般舵机只能旋转180°。也就是说,给控制引脚提供一定 的脉宽信号(TTL电平,0V/5V),它的输出轴就会保持在一 个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变。直到给它提供另 一个宽度的脉冲信号,它才会将输出角度改变到新的对应的位 置上。
49. 第8章 驱动器与传感器 值得注意的是:标准PWM(脉冲宽度调制)信号的周期 固定为20ms,脉冲宽度为0.5ms~2.5ms的正脉冲宽度和舵 机的转角0°~180°相对应。由于舵机品牌不同,其控制器解 析出的脉冲宽度也不同,所以对于同一信号,不同品牌的舵 机旋转的角度也不同。 另外,舵机的控制电路处理的并不是脉冲的宽度,而是 其占空比,即高低电平之比。以周期20ms、高电平时间 2.5ms为例,如果给出周期10ms、高电平时间1.25ms的信号, 对大部分舵机也可以达到一样的控制效果。但是周期不能太 小,否则舵机内部的处理电路可能紊乱;这个周期也不能太 长,例如如果控制周期超过40ms,舵机就会反应缓慢,并 且在承受扭矩的时候会抖动,影响控制品质。
50. 第8章 驱动器与传感器 图8-17 模拟舵机转动角度与PWM信号关系示意图
51. 第8章 驱动器与传感器 3)模拟舵机的内部电路 图8-18是FutabaS3003型舵机的内部电路。舵机的工作 原理是:PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688L 的12脚进行解调,获得一个直流偏置电压。它内部有一个基 准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得 的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差由 BA6688L的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路 BAL6686,以驱动电机正反转。当电机转速一定时,通过级联 减速齿轮带动电位器Rw1旋转,直到电压差为0,电机停止转动。
52. 第8章 驱动器与传感器 图8-18 Futaba S3003型舵机的内部电路
53. 第8章 驱动器与传感器 4)模拟舵机的铭牌数据及型号 市面上常见的模拟舵机为日本Futaba公司生产的FutabaS 系列模拟舵机,如FutabaS3003,FutabaS3010,FutabaS3305 等,主要的铭牌数据有:供电电压、最大扭矩、最大转角、 速度、尺寸及重量等,表8-1为Futaba系列产品的铭牌数据。
54. 第8章 驱动器与传感器 表8-1 Futaba模拟舵机铭牌数据
55. 第8章 驱动器与传感器 2.数字舵机 数字舵机(DigitalServo)和模拟舵机(AnalogServo)在基本 机械结构方面是完全一样的,主要由直流电动机、减速齿轮、 控制电路等组成。数字舵机和模拟舵机的最大区别体现在控 制电路上,数字舵机的控制电路比模拟舵机多了微处理器。 基于这个原因,数字舵机比之模拟舵机具有反应速度更快, 无反应区范围小,定位精度高,抗干扰能力强等优势。已逐 渐取代模拟舵机,在机器人、航模中得到广泛应用。 本节以Dynamixel系列机器人舵机中RX-64Dynamixel 数字舵机为例,讲解数字舵机的工作原理。
56. 第8章 驱动器与传感器 Dynamixel系列机器人舵机是一种智能化、模块化动力装置, 由齿轮减速箱、一个精确的直流电动机以及具备通讯功能的控制 芯片打包而成。能产生大扭矩,材料坚固,保证承受极大外力必 需的强度和韧性。工作时可反馈内部状况,例如内部温度或输入 电压等。它有约300°的运动范围,也可以通过软件设置使其作360° 连续转动,来作为车轮的驱动器。 相比传统的伺服系统,RX-64伺服系统不但拥有位置反馈系 统,而且还有速度反馈,温度反馈,支持高速串行网络。更重要 的是RX-64提供了高达52kg(cm)的扭矩,动力十足,是一款真正 意义上的机器人专用舵机。主要型号有DynamixelRX-64, DynamixelRX-28,DynamixelAX-12,DynamixelDX-117等, 图8-19是Dynamixel系列机器人舵机的外观图。
57. 第8章 驱动器与传感器 图8-19 Dynamixel系列机器人舵机外观图
58. 第8章 驱动器与传感器 1)数字舵机的互联方式 Dynamixel数字舵机的一个突出优点是其具备网络功能,各 个舵机之间采用Daisy总线相互连接,传输信息,这在机器人的应 用中是极为方便的。图8-20为两台舵机相互连接图,每台舵机 均有两个四针的接口,其引脚功能如图8-21所示,一台舵机的 序号相同的引脚内部已相互连接,便于舵机之间串行连接。两台 舵机的引脚连接图如图8-22所示,这里特别需要注意的是:引脚 之间要确保正确连接,否则可能会损坏舵机。 RX-64采用多站点连接方法,多个RX-64舵机通过RS- 485总线和主控制器进行通信。 图8-23为多台舵机网络通信图,每一个舵机分配有一个唯 一的ID号,主控制器可设置舵机的速度、位置及转矩等,同时亦 可以对当前的位置及速度进行读取,以观察目前舵机的工作状态。
59. 第8章 驱动器与传感器 图8-20 两台舵机相互连接图
60. 第8章 驱动器与传感器 图8-21 舵机接口引脚排列图
61. 第8章 驱动器与传感器 图8-22 舵机接口引脚连接图
62. 第8章 驱动器与传感器 图8-23 多台舵机网络通信图
63. 第8章 驱动器与传感器 2)数字舵机RX-64的铭牌数据 在机器人应用中广泛使用的数字舵机为韩国Dynamixel 公司生产的Dynamixel系列数字舵机,如DynamixelRX-64、 DynamixelRX-28、DynamixelAX-12及DynamixelDX- 117等,主要的铭牌数据有:供电电压、最大扭矩、最大转角、 速度、尺寸及重量等,表8-2为RX-64数字舵机的铭牌数 据。
64. 第8章 驱动器与传感器 表8-2 RX-64数字舵机铭牌数据
65. 第8章 驱动器与传感器 3)主控制器和数字舵机的通信接口 图8-24为主机和舵机之间的通信接口图,采用MAXIM 公司的通信接口芯片MAX485在主控制器和舵机之间进行通 信。 在图8-24中,根据引脚DIRECTION485的电平高低, 决定信号的传输方向。如果DIRECTION485Level=High, TXD引脚的信号输出到D+和D-。如果 DIRECTION485Level=Low,D+和D-的信号输出到RXD中。
66. 第8章 驱动器与传感器 图8-24 舵机和主控制器通信接口图
67. 第8章 驱动器与传感器 4)通信数据包 主控制器和舵机之间通过发送和接收数据包(Packet) 来进行通信。数据包有两种:(1)指令包 (InstructionPacket),由主控制器发送给舵机。(2)状态 包(StatusPacket),由舵机将状态信息反馈给主控制器, 如图8-25所示。每一台连于总线上的舵机都有唯一的一个 ID号,通过将ID号赋给指令包及状态包,主控制器可以控 制指定ID号的舵机。
68. 第8章 驱动器与传感器 图8-25 舵机和主控制器通信示意图
69. 第8章 驱动器与传感器 (1)指令包。 指令包是主控制器发给舵机的命令数据。指令包的结构 如图8-26所示。 图8-26 指令包结构
70. 第8章 驱动器与传感器 指令包中各位的意义如下: ①0XFF0XFF:表示指令包的起始位。 ②ID:表示接收指令包的舵机ID号,可以使用254个ID号,从0到253 (0X00-0XFD)。如果设ID=254,则处于广播状态,即所有连于总线的 舵机均可收到主控制器的命令信号,此时各舵机不再向主控制器返回状 态信号。 ③LENGTH:指令包的长度,长度为参数的个数N+2。 ④N:'>INSTRUCTION:主控制器发给舵机的命令,共有7条命令,可完 成读、写及复位等功能。具体的命令代码及功能描述如表8-3所示。 ⑤PARAMETER1~N:命令所需要的辅助数据,具体说明见控制表 部分。 ⑥CHECKSUM:用来检查指令包在发送时是否损坏,CHECKSUM 的计算公式如下:
71. 第8章 驱动器与传感器 例:设ID=1(0x01),Length=5(0x05),Instruction=3(0x03), Parameter1=12(0x0C),Parameter2=100(0x64), Parameter3=170(0xAA)。 则 CheckSum=~(ID+Length+Instruction+Parameter1+…+Paramet er3) =~[0x01+0x05+0x03+0x0C+0x64+0xAA] =~[0x123]//只用低八位0x23执行非操作。 =0xDD 这样,指令包序列为:0x01,0x05,0x03,0x0C,0x64, 0xAA,0xDD。
72. 第8章 驱动器与传感器 表8-3 值 名称 0x01 PING 0x02 命令描述 功能 参数量 不执行,控制器准备接收状态包时可用。 0 READ DATA 此命令用于从 RX-64 读取数据。 2 0x03 WRITE DATA 此命令用于将数据写入 RX-64。 2 或以上 0x04 REG WRITE 同 WRITE DATA 类似,但在启动命令(ACTION)触发前 2 或以上 保持待机状态而不执行。 0x05 ACTION 此命令将同 REG WRITE 命令一起用于启动运转寄存器。 0 0x06 RESET 此命令将 RX-64 恢复到出厂设置。 0 0x83 SYNC WRITE 此命令用于同时控制多个 RX-64。 4 或以上
73. 第8章 驱动器与传感器 (2)状态包(返回包)。 舵机执行从主控制器发来的命令,并将相关结果返回给 主控制器,返回的数据称之为状态包。状态包的结构如图8 -27所示。 图8-27 状态包结构
74. 第8章 驱动器与传感器 状态包中各位的意义如下: ①0XFF0XFF:表示状态包的起始位。 ②ID:表示传输状态包的舵机ID号。 ③LENGTH:状态包的长度,长度为参数的个数N+2。 ④ERROR:显示舵机操作中的错误状态,具体的错误描述 如表8-4所示。 例 状态包序列为0xFF0xFF0x010x020x240xD8 由于0x24=00100100,则ID号为01的舵机出现了过载和过 热的故障。 ⑤PARAMETER1~N:舵机返回主控制器的数据。 ⑥CHECKSUM:用来检查状态包在传送时是否损坏, CHECKSUM的计算公式如下:
75. 第8章 驱动器与传感器 表8-4 位 名称 Bit 7 0 Bit 6 Instruction Error 错误描述 详情 当发送未定义的指令或在未触发 REG WRITE 命令下提交启动命 令(ACTION) ,值设为 1。 Bit 5 Overload Error Bit 4 Checksum Bit 3 Range Error Bit 2 Overheating Error 当 Dynamixel 的内部温度超出控制表设定的可运作温度的限制范 围,值设为 1。 Bit 1 Angle Limit Error 当所写目标位置超出顺/逆时针角度限制范围,值设为 1。 Bit 0 Input Voltage Error 当电流负载不能被设置的扭矩所控,值设为 1。 当发送的指令包的校验和不正确,值设为 1。 当命令超出作用范围,值设为 1。 当应用电压超出控制表设定的可运作电压的限制范围, 值设为 1。
76. 第8章 驱动器与传感器 5)控制表 控制表包括有关当前状态和操作的数据,储存于舵机内 部的存储器中,用户可通过指令包修改控制表中的数据,进 而达到控制舵机的目的。RX-64的控制表占用50个8位的存 储单元,地址范围为:0(0X00)~49(0X31)。其中地址0 (0X00)~18(0X12)位于EEPROM区域,地址19(0X13) ~50(0X31)位于RAM区域。各地址中数据的含义如表8- 5所示。
77. 第8章 驱动器与传感器 表8-5 地址(十六 进制) 控制表 名 字 描 述 处理 模式 初始值(十 六进制) EEPROM 区域 0(0x00) Model Number(L) Lowest byte of model number R 64(0X40) 1(0x01) Model Number(H) Highest byte of model number R 0(0X00) 2(0x02) Version of Firmware Information on the version of firmware R 3(0x03) ID ID of Dynamixel RW 1(0X01) 4(0x04) Baud Rate Baud Rate of Dynamixel RW 34(0X22) 5(0x05) Return Delay Time Return Delay Time RW 250(0XFA) 6(0x06) CW Angle Limit(L) Lowest byte of clockwise Angle Limit RW 0(0X00) 7(0x07) CW Angle Limit(H) Highest byte of clockwise Angle Limit RW 0(0X00) 8(0x08) CCW Angle Limit(L) Lowest byte of counterclockwise Angle Limit RW 255(0XFF) 9(0x09) CCW Angle Limit(H) Highest byte of counterclockwise Angle Limit RW 3(0X03) 11(0x0B) the Highest Limit TemperatureInternal Limit Temperature RW 80(0x50) 12(0x0C) the Lowest Limit Voltage Lowest Limit Voltage RW 60(0x3c) 13(0x0D) he Highest Limit Voltage Highest Limit Voltage RW 240(0xF0) 14(0x0E) Max Torque(L) Lowest byte of Max. Torque RW 255(0XFF) 15(0x0F) Max Torque(H) Highest byte of Max. Torque RW 3(0X03) 16(0x10) Status Return Level Status Return Level RW 2(0X02) 17(0x11) Alarm LED LED for Alarm RW 36(0X24) 18(0x12) Alarm Shutdown Shutdown for Alarm RW 36(0X24)
78. 第8章 驱动器与传感器 RAM 区域 24(0x18) Torque Enable Torque On/Off RW 0(0X00) 25(0x19) LED LED On/Off RW 0(0X00) 26(0x1A) CW Compliance Margin CW Compliance margin RW 0(0X00) 27(0x1B) CCW Compliance Margin CCW Compliance margin RW 0(0X00) 28(0x1C) CW Compliance Slope CW Compliance slope RW 32(0X20) 29(0x1D) CCW Compliance Slope CCW Comliance slope RW 32(0X20) 30(0x1E) Goal Position(L) Lowest byte of Goal Position RW 31(0x1F) Goal Position(H) Highest byte of Goal Position RW 32(0X20) Moving Speed(L) Lowest byte of Moving Speed RW 33(0X21) Moving Speed(H) Highest byte of Moving Speed RW 34(0X22) Torque Limit(L) Lowest byte of Torque Limit RW ADD14 35(0X23) Torque Limit(H) Highest byte of Torque Limit RW ADD15 36(0X24) Present Position(L) Lowest byte of Current Position R 37(0X25) Present Position(H) Highest byte of Current Position R 38(0X26) Present Speed(L) Lowest byte of Current Speed R 39(0X27) Present Speed(H) Highest byte of Current Speed R 40(0X28) Present Load(L) Lowest byte of Current Load R 41(0X29) Present Load(H) Highest byte of Current Load R 42(0X2A) Present Voltage Current Voltage R 43(0X2B) Present Temperature Current Temperature R 44(0X2C) Registered Instruction Means if Instruction is registered RW 0(0X00) 46(0X2E) Moving Means if there is any movement R 0(0X00) 47(0X2F) Lock Locking EEPROM RW 0(0X00) 48(0X30) Punch(L) Lowest byte of Punch RW 32(0X20) 49(0X31) Punch(H) Highest byte of Punch RW 0(0X00)
79. 第8章 驱动器与传感器 从表8-5可以看出,RX-64有两种类型数据:(1)只读数据,主要用于 观察。(2)可读/写数据,主要用于驱动。另外,最右侧一栏的初始值, 对于EEPROM,为出厂时的初始设定值。对于RAM,为上电时的值。 下面仅对常用的数据进行介绍,更为详细的内容请参照RX-64的使用 手册。 (1)EEPROM域。 ①型号(ModelNumber):存储于地址0,1(0X00~0X01)中,对于 RX-64,数据值是64(0X0040)。 ②舵机编号(ID):存储于地址3(0X03)中,每个舵机的编号是唯一 的,对于RX-64,范围为0~253(0XFD),初始值为1。 ③波特率(BaudRate):存储于地址4(0X04)中,表示主控制器和舵 机之间的通信速率,范围为0~254(0XFE),初始值为34(0X22),波特 率的计算公式为 Speed(BPS)=2000000/(Data+1)
80. 第8章 驱动器与传感器 ②舵机编号(ID):存储于地址3(0X03)中,每个舵机的 编号是唯一的,对于RX-64,范围为0~253(0XFD),初始 值为1。 ③波特率(BaudRate):存储于地址4(0X04)中,表示主 控制器和舵机之间的通信速率,范围为0~254(0XFE),初始 值为34(0X22),波特率的计算公式为 Speed(BPS)=2000000/(Data+1) 式中, Data为地址4(0X04)中的数据。Data的取值和波特 率之间的关系如表8-6所示。
81. 第8章 驱动器与传感器 表8-6 Data的取值和波特率之间的关系
82. 第8章 驱动器与传感器 ④舵机旋转角度:存储于地址6~9(0X06~0X09)中,表示 允许舵机旋转的角度范围。取值范围为0~1023(0X3FF),其 中数据0表示0°,数据1023(0X3FF)表示300°,则分辨率约为 0.3°。 ⑤供电电压上下限设置:存储于地址12、13(0X0C、 0X0D)中,取值范围为50~250(0X32~0X96),如果当前电压 值(地址42)超出这个范围,则状态包中的输入电压错误位 (InputvoltageErrorBit(Bit0))返回1,并触发报警(在地址17、 18中设置),该地址中的数据所表示的电压为实际电压的10 倍,如数据80意味着实际电压为8V。
83. 第8章 驱动器与传感器 ⑥最大转矩(MaxTorque):存储于地址14、15(0X0E、 0X0F)中,表示输出的最大转矩值,取值范围为0~ 1023(0X3FF)。其分配的内存为EEPROM(地址14、15)和 RAM(地址34、35)。当上电后,EEPROM的值拷贝到RAM中。 在实际操作中,最大转矩要受到转矩极限值(地址34、35) 的限制。数据1023(0X3FF)表示此时舵机能输出地址34、35 所给出的最大转矩值,数据512(0X200)表示舵机能输出地址 34、35所给出的最大转矩值的一半。
84. 第8章 驱动器与传感器 (2)RAM域。 ①转矩使能(TorqueEnable):存储于地址24(0X18)中, RX-64第一次上电时,处于自由运转状态,此时是没有转 矩产生的,转矩使能设为1,允许产生转矩。 ②目标位置(GoalPosition):存储于地址30、31(0X1E -0X1F)中,表示舵机应到达的位置。取值范围为0~ 1023(0X3FF)。对应舵机转过的角度为0°~300°,如图8-28 所示。目标位置设定值应满足 CWAngleLimit≤GoalPotion≤CCWAngleLimit,当超出这个范 围,则状态包中的角度限制错误位(AngleLimitErrorBit(Bit1)) 返回1。
85. 第8章 驱动器与传感器 图8-28 目标位置值和舵机转角关系示意图
86. 第8章 驱动器与传感器 ③移动速度(MovingSpeed):存储于地址32、33(0X20、 0X21)中,表示舵机的运转速度,取值范围为 0~1023(0X3FF),舵机实际速度的计算公式为:Data*0.111, 例如:1023代表114RPM(1023X0.111=113.6)。 ④转矩极限(TorqueLimit):存储于地址34、35,(0X22、 0X23)中,设定最大输出转矩,取值范围为0~1023(0X3FF)。 ⑤连续运转方式(EndlessTurn):设置CWAngleLimit(地 址6、7)和CCWAngleLimit(地址8、9)为0,即可实现舵机的 连续运转。
87. 第8章 驱动器与传感器 6)数据包的使用 为了控制RX-64,主控制器需要将指令包发送给舵机, 指令包共有7条命令,这里仅对常用的读/写命令进行说明, 更为详细的内容请参照RX-64的使用手册。 (1)读数据(READDATA)。 功能:读取RX-64内部控制表中的数据。 长度:N+2 指令代码:0X02 参数1:读取数据的起始地址。 参数2:读取数据的长度。
88. 第8章 驱动器与传感器 例8-1 读舵机的型号。 分析:舵机的型号位于地址0X00〖CD*2〗01中,则 指令包:FFFF0104020002F6 状态包:FFFF0104004000BA,状态返回结果:型号 (ModelNumber)=64(0X40)。无错误(NOERROR)。
89. 第8章 例8-2 驱动器与传感器 〖HT〗〖ST〗读舵机的当前速度。 分析: 舵机的型号位于地址0X26〖CD*2〗27中,则 指令包: FFFF0104022602D0 状态包:FFFF010400FF01FA,状态返回结果:当前速度=0X01FF (511),即实际速度值为511*0.111=56.73RPM。无错误 (NOERROR)。 (2)写数据(WRITEDATA)。 功能:将数据写入到RX-64内部控制表中。 长度:N+2 指令代码:0X03 参数1:写入数据的存储单元起始地址。 参数2:第1个写入的数据。 参数3:第2个写入的数据。 参数N:第N-1个写入的数据。
90. 第8章 驱动器与传感器 例8-3 〖HT〗〖STBZ〗设定舵机的移动角度为0°~ 150°。 分析: 由于150°对应0X200,则地址0X08-09 (CCWAngleLimit)单元中的数据为0X200。所以参数 1:0X08,参数2:0X00,参数3:0X02。 则指令包:FFFF010503080002EC 状态包:FFFF010200FD,状态返回结果:无错误 (NOERROR)
91. 第8章 驱动器与传感器 例8-4 设定舵机的工作电压为10~17V。 分析:10V对应的是100(0X64),17V对应的是170(0XAA), 则地址0X0C-0D(Voltagelimit)单元中的数据为 0X64,0XAA。所以参数1:0X0C,参数2:0X64,参数3:0XAA。 则指令包:FFFF0105030C64AADD 状态包:FFFF010200FD,状态返回结果:无错误 (NOERROR)。
92. 第8章 驱动器与传感器 (3)异步写数据(SYNCWRITE)。 功能:将多组数据写入到RX-64内部控制表中,同时控 制多个舵机,要求多组数据的地址和长度相同。 ID:0XFE 长度:N+2 指令代码:0X83 参数1:写入数据的存储单元起始地址。 参数2:写入数据的长度。 参数3:第1个舵机的ID号。 参数4:写入第1个舵机的第1个数据。
93. 第8章 驱动器与传感器 参数5:写入第1个舵机的第2个数据。 …  参数…:写入第2个舵机的第1个数据 参数…:写入第2个舵机的第2个数据 …
94. 第8章 驱动器与传感器 例8-5 四台RX-64舵机分别设定其位置及速度。 RX-64(ID0):以速度0X150移动到位置0X010 RX-64(ID1):以速度0X360移动到位置0X220 RX-64(ID2):以速度0X170移动到位置0X030 RX-64(ID3):以速度0X380移动到位置0X220指令 包 :0XFF0XFF0XFE0X180X830X1E0X040X000X100X000X500 X010X010X200X020X600X030X020X300X000X700X010X0 30X200X020X800X030X12 状态包:无返回
95. 第8章 驱动器与传感器 8.3 旋转编码器 旋转编码器(RotaryEncoder)是转速或转角的检测元 件,使用时,旋转编码器与电动机同轴相连,当电动机转动 时,带动编码器旋转,旋转编码器产生与被测转速成正比的 脉冲。通过计数脉冲的个数,即可计算电动机的转速。 旋转编码器分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器常 用于检测转角,在伺服系统中得到广泛的使用。增量式编码 器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅,又称作脉冲编码器。
96. 第8章 驱动器与传感器 本节以日本欧姆龙公司E6B2系列增量式旋转编码器 (IncrementalRotaryEncoder)为例,讲解旋转编码器的工作 原理。图8-29为E6B2系列增量式旋转编码器的外观图。 E6B2系列旋转编码器为双路输出的旋转编码器,可输出两 组相位差90°的脉冲(A相,B相),通过这两组脉冲不仅可 以测量转速,还可以判断旋转的方向。除了A相、B相之外, E6B2系列旋转编码器还有Z相输出。编码器每旋转一圈,Z 相输出一个脉冲,可以作为复位相或零位相来使用。E6B2 系列旋转编码器的I/O接口线说明如表8-7所示。
97. 第8章 驱动器与传感器 图8-29 E6B2系列增量式旋转编码器
98. 第8章 驱动器与传感器 表8-7 I/O接口线 线色 端子名 褐 电源(+Vcc) 黑 输出 A 相 白 输出 B 相 橙 输出 Z 相 蓝 0V(COMMON)
99. 第8章 驱动器与传感器 1.旋转编码器的铭牌数据 旋转编码器主要的铭牌数据有:供电电压、输出方式及 分辨率等,表8-8为E6B2系列增量式旋转编码器的铭牌数 据。 表8-8 E6B2系列增量式旋转编码器的铭牌数据
100. 第8章 驱动器与传感器 2.旋转编码器的工作原理 图8-30为增量式旋转编码器工作原理示意图,该旋转 编码器由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻 线,有光发射和接收装置,当电动机旋转时,码盘随之一起 转动,接收装置接收光波并转换成电脉冲。记录在一定时间 间隔内的脉冲数,就可以计算出这段时间内的转速。
101. 第8章 驱动器与传感器 图8-30 增量式旋转编码器工作原理示意图
102. 第8章 驱动器与传感器 脉冲序列能正确反映转速的高低,但不能鉴别转向。为 了获得转速的方向,增加一对发光与接收装置,使两对发光 与接收装置错开光栅节距的1/4,则两组脉冲序列A和B的 相位相差90°。如图8-31所示。正转时A相超前B相;反转 时B相超前A相。采用简单的鉴相电路就可以分辨出转向。
103. 第8章 驱动器与传感器 图8-31 区分旋转方向的A、B两组脉冲序列
104. 第8章 驱动器与传感器 3.旋转编码器的测速方法 采用旋转编码器的测速方法有三种:M法,T法,M/T法。 1)M法测速 记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来计算 出转速的方法称为M法测速,又称测频法测速。由系统的定 时器按采样周期的时间定期地发出一个时间到的信号,而计 数器则记录下在两个采样脉冲信号之间的旋转编码器的脉冲 个数,如图8-32所示。
105. 第8章 驱动器与传感器 图8-32 M法测速原理示意图
106. 第8章 驱动器与传感器 M法测速转速的计算公式为 60 M 1 n ZTc (8-23) 式中,n为转速,单位为r/min;M1为时间Tc内的脉冲个数; Z为旋转编码器每转输出的脉冲个数,Tc为采样周期,单 位为s。 M1与转速成正比,转速越低,M1越小,测量误差率越大, 测速精度则越低。这是M法测速的缺点,M法测速只适用于 高速段。
107. 第8章 驱动器与传感器 2)T法测速 T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时 间来计算出转速。它又被称为测周法测速。 T法测速同样也是用计数器加以实现,与M法测速不同 的是,它计量的是计算机发出的高频时钟脉冲,以旋转编码 器输出的脉冲的边沿作为计数器的起始点和终止点,如图 8-33所示。
108. 第8章 驱动器与传感器 图8-33 T法测速原理示意图
109. 第8章 驱动器与传感器 设在旋转编码器两个输出脉冲之间计数器记录了M2个 时钟脉冲,而时钟脉冲的频率是f0,则电动机转一圈的时间 是ZM2/f0,由此得T法测速转速的计算公式为 60 f 0 n ZM 2 (8-24) 式中,M2为旋转编码器两个输出脉冲之间的时钟脉冲个数, f0为时钟脉冲的频率(Hz)。 低速时,编码器相邻脉冲间隔时间长,测得的高频时钟 脉冲M2个数多,误差率小,测速精度高,T法测速适用于低 速段。
110. 第8章 驱动器与传感器 3)M/T法测速 在M法测速中,随着电动机的转速的降低,计数值M1 减少,测速装置的分辨能力变差,测速误差增大。在T法 测速中,随着电动机转速的增加,计数值M2减小,测速 装置的分辨能力越来越差。既检测Tc时间内旋转编码器输出 的脉冲个数M1,又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数 M2,用来计算转速,称作M/T法测速。 M/T法测速原理如图8-34所示。
111. 第8章 驱动器与传感器 图8-34 M/T法测速原理
112. 第8章 驱动器与传感器 M/T法测速转速的计算公式为 60 f 0 M 1 n ZM 2 (8-25) M/T法测速在高速和低速段都有较强的分辨能力。