典型工业机器人驱动器分析及设计研究毕业设计说明书.doc

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1、 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 日目 录1 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义31.3 工业机器人驱动器的发展31.3.1 工业机器人驱动器的历史及现状31.3.2 工业机器人驱动器未来发展的方向42 工业机器人驱动系统设计分析62.1 工业机器人的组成结构62.2 工业机器人的驱动类型62.2.1 驱动系统的分类62.2.2 各驱动系统的特点72.3 电动机特性分析93 工业机器人驱动器设计实例分析123.1 工业机器人IRB

2、 L6/2驱动器分析123.2 工业机器人M2000驱动器分析174 工业机器人驱动器设计研究224.1系统硬件总体方案224.2主控芯片介绍224.3 dsPIC外围电路设计244.3.1电流检测电路244.3.2转子位置检测电路254.3.3过压保护电路及制动电路264.3.4浪涌保护电路274.4开关电源电路设计274.5智能功率模块电路设计28结 论30致 谢32参 考 文 献33I1 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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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。

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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50140Pa大，压力范围为4860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

17、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

18、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

19、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）

20、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

21、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

22、： （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

23、。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IRB L6/2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IRB L6/2型号工业机器人，图3.1、3.2、3.3分别是IRB L6/2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3.1 IRB L6/2驱动单元与轴驱动器图3.2 IRB L6/2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

24、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3.3 IRB L6/2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。B

25、LOCK是和轴相连的马达，用以控制制动马达。IRB L6/2驱动单元实物图如图3.4所示。图3.4 IRB L6/2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IRB L6/2型号工业机器人三

26、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3.7 IRB L6/2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3.8 M2000的驱动系统框图在控制信号的作用下，伺服驱动

27、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3.9 M2000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3.10 M2000驱动器1 2轴和3 4轴工作原理图M2000驱动器1 2轴和3 4轴工作原理图如图3.10所示，可以看到1 2轴的驱动单元由同一块集成电路控制，同样的3 4轴的驱动单

28、元也是由同一块集成电路控制，不难了解到1 2轴协同操作或者是3 4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3.11 M2000驱动器2 3轴和1 6轴工作原理图M2000驱动器2 3轴和1 6轴工作原理图如图3.11 所示。图中两个驱动单元各自驱动2 3轴和1 6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

29、3.12 M2000驱动器3 5 6轴和1 2 4轴工作原理图M2000驱动器3 5 6轴和1 2 4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3.13 M2000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3.14 M200

30、0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

31、。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

32、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

33、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、S

34、PI、通用输入输出接口、中断输入、定时器、输入捕捉等硬件模块。4.3 dsPIC外围电路设计伺服驱动器的硬件构成主要包括逆变器、主控制器和外围电路，外围电路主要包括通用信号输入输出电路、信号保护电路、电流及电压检测电路、信号调理电路、编码器信号转化电路等外围电路。下面分别介绍驱动器的各个主要的外围接口电路。4.3.1电流检测电路图4.3 电流采样电路在工业机器人交流永磁同步电机驱动器设计中，需要精确测量电机定子绕组中的实际电流、电压等参量，以实际电流值作为反馈值和前向通路构成电流闭环控制回路，目前电流检测的方法主要有三种:串联电阻电流取样法、电流互感器法和霍尔传感器法。由于电阻的阻值容易受到温

35、度的影响，导致采集到的电流信号精度不够高。电流互感器对动态信号和低频电流信号的识别精度不高，通过霍尔传感器来测量增加了系统的成本和复杂度。因此采用串联电阻取样法来测量电机的相电流值，如图4.3所示。在图4.3中，IN+和IN-端接的是采样电阻的两端，本采样电阻阻值为10毫欧姆，精度为1%的电阻，应该注意这个电阻的功率值，虽然电阻值比较小。但是过电流比较大，功率也会比较大。根据公式Vout=1/2*V，ef+R7/R25*(V+-V-)以及输入的采样信号的值的范围，就可以确定对应的电阻值。4.3.2转子位置检测电路在电机调速控制系统中，位置和速度是两个关键的量，通过对位置和速度的校正，来提高系统

36、的动态响应性能。根据电压空间矢量控制原理可以知道，在算法实现的过程中需要知道转子的磁场位置角度和实时速度值。常用的测量位置和速度的传感器有绝对式编码器、增量式编码器、电磁式旋转变压器、磁阻式旋转变压器和感应同步器。霍尔传感器信号波形图如图4.4所示。图4.4 霍尔传感器信号波形图由于光电编码器具有质量小、快速响应能力、高分辨率、低功耗和环境适应能力强等性能，在实际中应用比较广泛，但是光电编码器属于精密机械件，在运输的过程中容易受到振动而使得精度降低，光电编码器可以经过密封处理后安装于电机转轴的尾端。本交流永磁同步电机驱动器利用增量式光电编码器进行位置值和速度值的测量，编码器信号波形图如图4.5

37、所示。图4.5 编码器信号波形图4.3.3过压保护电路及制动电路永磁同步电机要正常运转,首先要必须满足其工作条件,如电压、电流、温度等参数。当电压过高会使得电机定子绕组中的电流升高,随着电流升高绕组的温度就会升高,长时间持续的高温有可能造成电机烧毁等故障。过压保护电路图如图4.6所示。图4.6 过压保护电路图当电机速度变化过快时,电机会产生比较大地反电动势,此时电机相当于一台发电机,而整流电路中流过二极管的电流不可逆,所以反电动势会加载直流母线上。以上两个原因会烧毁功率器件和电机,因此给直流母线侧加泄能电路,同时监测直流母线侧的电压值。制动电路如图4.7所示。图4.7制动电路图4.3.4浪涌保

38、护电路本永磁同步电机驱动器的供电电源为220V、50赫兹交流电，在输入到IPM之前要先对电源进行整流和滤波处理，在实现SVPWM算法产生的PWM波控制IPM中的IGBT动作来产生调制波形，达到逆变电源的作用，来输出给永磁电机，驱动电机运转。在系统上电之前，大电容中的电能已经释放完成，此时电容两端电压为0V，在打开电源的瞬间，电容始充电，电容充电的过程可看作是短路的，电源所有的电能瞬间全部加到电容两端，电路中会形成比较大的电流，这种方式的电流称作浪涌电流。电力电子设备中产生的浪涌会污染电网以及损坏器件，必须想办法避免这种现象的出现。可以通过软启动方式来避免浪涌现象的出现，浪涌保护电路如图4.8所

39、示。图4.8 浪涌保护电路4.4开关电源电路设计开关电源输出功率的大小，决定开关电源选择什么样的工作方式或电路，从性价比方面来考虑，一般使用输出功率低于5瓦的开关电源。本系统中主控制器的供电电压是5V，智能功率模块的供电电压是15伏，需要利用AC-DC电路将市电变成需要的电压值，工业机器人交流永磁同步电机驱动器中使用的开关电源原理图如图4.9所示。图4.9 开关电源电路4.5智能功率模块电路设计根据电压空间矢量变换理论可知，逆变部分主要是将整流后的直流电压通过一定的手段变换成脉冲宽度按照正弦的规律变化的波形，逆变器内部有6个IGBT根据控制器发出的PWM波指令，三对IGBT桥臂按照一定的时间和

40、次序实现开关动作，从而实现输出所需的电压矢量波形，来控制磁场、转矩的旋转来实现电机转子的运行。传统的逆变电路主要6个开关管(绝缘栅型场效应管或MOS管)组合构成三相逆变电路的桥臂，这种方式需要给开关管加驱动电路和电源自举电路。由于开关管频繁地开关，所以对整个逆变电路的布局布线和抗干扰能力要求比较高。随着电力电子技术水平的提高，以及模块化设计方法的发展，促使一大批的新型集成有IGBT和外围电路的智能功率模块被设计开发出来，替代分立器件来实现逆变器的设计。工业机器人交流永磁同步电机驱动器智能功率模块内部结构，是由高速低功耗的绝缘栅型场效应管及其驱动、保护电路共同构成IPM功率模块，IPM(智能功率

41、模块)和分立器件构成的逆变电路相比具有以下特点:(1)内置集成高电压驱动电路，可以不用经过光电耦合器等驱动器件来驱动开关管，同时由于集成驱动电路于一体，在加入少量辅助器件的情况下可实现单电源供电，上桥臂的电源完全靠自举方式实现;(2)功耗低，IPM工作时的功率损耗主要是IGBT的关动作所产生的损耗，由于本方案采用的IPM内部IGBT选用高速低功耗的集成电路，驱动电路布线线路短，开关管的驱动速度快，开关管导通时压降低，以上内部电路的特点最终决定了IPM具有功耗低的特点;(3)符合安全规则，逆变桥的功率器件在过流、过欠压时容易受到损坏，IPM内部具有过流、短路、欠压保护电路，保护电路为系统的正常运

42、行提供了保证;(4)抗干扰能力强，IPM内部的集成开关管和门级驱动电路具有连接线短的特点，对外部干扰的隔离效果较好，逆变电路的大功率信号对驱动信号干扰较小;(5)集成度高，硬件电路的布局布线会影响系统的整体性能以及抗干扰能力，采用IPM功率模块具有集成度高，体积小，外围电路少，外围配上简单的一些配置电路即可实现逆变功能，使得开发过程更加容易。图4.10 FNB41560模块电路为简化系统系统设计复杂度以及增强系统的可靠性，工业机器人交流永磁同步电机驱动器釆用智能功率模块FNB24560，内部结构图如图3.10所示。该模块最高工作电压为600V，最大工作电流为15A，开关管最高工作频率为20kH

43、Z。结 论本次设计所做的主要工作有：1文献资料的搜集工业机器人在中国起步较晚,技术积累方面较为薄弱,导致知网上关于工业机器人驱动器部分的文献较少,给毕业设计的工作带来了很大的困难,但是有问题就要解决问题,中文文献没有就查找英文文献,相关资料不好收集可以向导师获取帮助,最终还是完成了资料搜集的相关工作。2设计方案的确定经综合考虑，确定工业机器人驱动器的设计方案为单轴工业机器人驱动器，由旋转变压器,微处理器,存储系统,高电压大电流驱动器组成。综上，通过近三个月的毕业设计，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四年所学的知识有了一个深层次的理解，同时对

44、工程的理解更加深刻和准确。使我真正感受很深的是工业机器人在各行业中的广泛应用。同时，也使我深深体会到：要真正完成一个工业机器人驱动器的设计，不但要掌握仪器设计、互换性、误差理论等多学科的知识，而且还要有继而不舍的钻研精神，要善于学习新的知识，只有将这两方面的知识融会贯通和有机结合，才能设计出合格的驱动器来。设计开始时，由于缺乏设计经验，加之对各方面技术标准的不甚了解，我的设计曾一度停滞不前。但是，通过自己不断的分析，大量查找阅读相关资料，和同学们积极讨论，并经常寻求老师的指导，终于使自己的设计思路愈发清晰、明朗，最终完成了所有任务。这一切，使我真正体会到：端正的设计态度和良好的合作意识是所有设

45、计人员所必须具备的素质。同时，经过这段时间的不断摸索和设计，令我对驱动器设计有了更加深刻的了解，也大大提高了我的动手实践能力，培养了浓厚的科研兴趣，使我在学习的过程中深受其益。诚然，我的设计中可能还存在种种问题，但我相信，我已经倾尽了自己的最大努力，而这次的实验设计就像是里程碑一样，必将见证我今后的不断成长和进步！在设计时，为了弄清一个陌生的知识点，上网搜索、查询手册、求助老师，真是做到了多管齐下。在论文定稿过程中，更是一次次的重复着查询、讨论、纠错、复查的繁琐步骤。可以说，最后的成果里倾注了我的精力与心血。在这段时间里，我真正将我在大学所学和所用结合了起来，做到学以致用，收获是难以估价的。即

46、将离开大学校园,心里也是十分的不舍,可能这一次是最后一次在学校完成任务,老师的关怀,同学们的鼓励,一直在激励着我不断努力,衷心地感谢他们！也希望,在最后的时光里,我能交上一份令人满意的答卷。致 谢本次毕业设计工作是在老师的耐心指导和悉心关怀下完成的。他那丰富的专业知识和经验以及对专业孜孜不倦的敬业态度让我感触很深。他给予了我们充分的指导，并且还培养了我们独立思考问题的能力。从他身上,我不仅学到了很多专业方面的知识,还学到了一种严谨的求知精神。所有这些都将成为我们以后继续学习的榜样。为此，学生对您表示衷心的感谢和深深的敬意！同时在设计的过程中，很多的同学给予了我很大大的帮助。在这难忘的三个多月中，没有他们的支持，我的设计不可能这样顺利的完成。在此，对这些同学也表示衷心的感谢！回想大学四年的时光，仿佛尽在昨天，我还要感谢在我大学四年学习期间给予我很多帮助的家人、所有教过我的老师以及我的同学和朋友们，请让我在大学最后的时光里，对你们献上最崇高的敬意！参 考 文 献1 殷玉海.基于matlab&adams协同仿真的外骨骼服协行助力机器人D . 2007，（11）：4