马达驱动（共3篇）
马达驱动 篇1
新材料行业所产生的高技术含量、高附加值的经济效益和社会效益越来越受到各个国家关注和重视。对于我国节能环保、高端装备制造、新能源等新兴产业战略实施同样需要新材料产业提供支撑和保障;另一方面, 我国原材料工业规模巨大, 环境约束日益强化, 也迫切需要通过发展新材料产业, 助推材料工业升级转型, 培育新的增长点。本文以节能环保为研究理念, 通过分子马达的思路设计, 获得一种光控新材料。该材料通过试验检测得到在常温下即可通过光照来驱动分子结构改变进而达到宏观定位调控的效果。该材料机械性能好, 化学抗性性强, 可适应多种环境下的选择和使用。
新材料作为高新技术的基础和先导, 它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具潜力的发展领域。与传统材料相比, 新材料产业具有技术高度密集, 产品的附加值高, 生产与市场国际性强等特点。美国、德国、日本等主要发达国家都十分重视新材料产业投入和发展, 在20世纪90年代初就开始将发展新材料产业作为国家发展的重点。我国新材料产业也在1999年开始颁布实施指南, 重点扶持新材料产业。
近年来发展新材料产业同时也关系到国家可持续发展的重要因素, 因此我国也日益重视新材料技术应用及其产业化。《新材料产业“十二五”发展规划》指出新材料是材料工业发展的先导, 是重要的战略新兴产业, 并强调加快培育和发展新材料产业, 对于引领材料工业升级换代, 支撑战略新兴产业发展, 保障国家重大工程建设, 促进传统产业转型升级, 构建国际竞争新秩序具有重要的战略意义。因此新材料产业是新能源、节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源汽车等新兴产业的重要发展基础。
本课题组所设计的新材料是一种新型节能环保材料, 该材料完全由光来准确定位和有效控制。通过分子马达思维理念和思路设计, 可以使光能直接转化为机械能, 对环境无污染, 光能利用率高。同时该材料不需要电池, 齿轮等附加驱动能源的介入, 使得用于该材料的设备、器材可以小型化或做成无需电动机和轴承介入的微型机械, 同时也可用于内视镜等小型医疗器械的控制部件方面, 同样具有非常广阔的应用前景。
新材料的思路设计
偶氮苯分子在紫外/可见光照下可以发生顺反异构的特性 (图1) , 使得它在光学仪器和电子器件上有越来越多的相关应用。另一方面由于顺反异构的产生可以带动分子周围空间位置变化, 现在也越来越受到人们的重视和研究。但现在该类研究大多为液晶材料, 即想要达到光照形变需要现将材料加热到玻璃转化温度以上才能获得明显形变效果, 这就使得这类材料普及应用受到了很大限制并且增加了能源消耗。本课题组开展的研究是以该材料光照形变特性为思路出发点, 从非液晶材料角度出发, 将偶氮苯基团镶嵌到高分子聚合物当中。当紫外/可见光照时大量偶氮苯单元同时发生结构改变, 达到分子马达驱动的效果。考虑到材料在实际应用的长期性和环境的复杂性, 本研究将高玻璃转化温度, 机械性能好, 化学抗性性强, 抗辐射性佳的聚酰胺酸引入到该材料中, 为该类材料应用打下前期基础。
材料自身性质的检测
首先通过高分子聚合反应得到目标产物 (图2) , 通过红外表征 (图3) 、核磁 (表1) 及紫外 (图4) 检测证明该材料的结构形式及链段种类。通过由高效液相谱图及相关软件数据分析我们得到聚酰胺酸的重均分子量Mw为58698, 数均分子量Mn为40625, 分子量分散度为 (重均分子量Mw/数均分子量Mn) PDI为1.44.由重均分子量和数均分子量以及分散度与聚酰胺酸数据对比可以看出, 所合成的聚酰胺酸链的聚合度较高。通过万能拉伸测试仪所显示的结果表明该材料拉伸强度及韧性等方面性能优良。该材料Tg在失重5%对应温度为298℃, 失重10%对应温度为610℃。通过以上测试证明该材料在较苛刻的环境下可以长期使用 (表2) 。
材料性能测试
将含有偶氮苯聚酰胺酸膜材料裁成2 cm×6 cm长条, 用365 nm汞灯进行照射。通过实验来验证分子级的偶氮苯结构改变是否能驱动宏观材料的结构变化。为了保证实验的严谨性和客观性, 将不含偶氮苯的聚酰胺酸膜做成同样大小的膜条, 并列进行比较。如图5所示, 随着照射时间延长, 含偶氮苯“分子马达”的膜材料沿着取向方向发生了较大角度的弯曲。而不含偶氮苯的聚酰胺酸薄膜从始至终并未发生弯曲现象。这种明显角度变化说明了膜的弯曲是由镶嵌在分子链内偶氮苯基团异构发生变化引起的, 并由微观分子级的受力空间变化积累到了宏观材料的明显改变;并且通过外部条件 (光照时间/强度等) 改变做到准确定位和有效控制的智能化操作。同时非液晶偶氮苯聚合物与以往所报道的液晶类偶氮苯材料其优点在于室温下就可以发生驱动弯曲。这种常温下即可有效形变定位的性能, 不仅节省额外加热能源;而且, 降低了日常维护使用条件, 也使材料产业化成为了可能。
结语
本论文所测试的膜材料是由光能直接转化为机械能的一种新材料, 对环境友好无污染。并且核心动力源是由于分子级的微观变化产生的宏观改变, 所以在实际使用中可视器件大小做成不同尺寸规模的驱动材料。该材料机械性能好, 化学抗性性强, 可适应多种环境下的选择和使用。
单马达驱动蛇形机器人的设计研究 篇2
关键词：多关节,单马达,蛇形机器人,运动仿真
0 引言
目前工业机器人的负载自重比较低, 约为1/30～1/10, 而人的负载自重比可以大于1, 从仿生学的角度考虑, 机器人的负载能力还有很大的潜力。机器人的驱动主体是马达, 通常每个关节由1个马达驱动, 由伺服马达和减速器构成的机器人驱动系统的质量占机器人总质量的比例很高[1]。马达的体积和自重一直是一个有待解决的问题[2]。在马达设计未有明显突破的情况下, 采用新的关节设计以减少机器人内马达个数, 是获得更紧凑、更高负载自重比的一种方法。
单马达驱动技术是一种新型的机器人技术, 相对于其他机器人的显著不同在于, 关节处没有马达, 整个机器人仅由基座内的马达驱动。在相同质量和长度的条件下, 这种机器人可拥有更多的自由度。国内外一些研究者已经在这方面做了一些研究工作。新加坡南洋理工大学的金刚机器人[3]采用了单马达驱动技术, 结构精巧, 类似蜿蜒臂, 但由于关节运动方向受基座内马达与关节内离合器共同控制, 因而机器人难以完成复杂的轨迹;Karbasi等[4]设计的单驱动柔性机器人由2个可调速关节组成, 在结构上它更像1台由1个马达驱动的两轴联动机床, 由于其主轴为柔性轴, 从而使得末端操作器位姿对关节离合器的要求非常高;马培荪等[5]研制的单马达驱动蛇形柔性臂由多个弯曲关节组成, 主传动机构采用特殊万向节, 可实现臂节与臂节之间的运动传递, 末端吸盘的位姿在很大程度上依赖基座的旋转运动, 整机模块化程度较低。
基于单马达驱动技术, 我们研制了蛇形机器人XN-600-1, 它使用1个马达来驱动6个串联关节, 结构紧凑、运动灵活;机器人的主轴系统由刚性轴和齿轮组组成, 主轴速度近似恒定, 运动精度高于主传动轴为柔性轴的机器人;机器人的关节由关节离合器控制, 关节运动方向不受马达控制, 比金刚机器人更易于实现复杂的末端轨迹。
1 XN-600-1蛇形机器人总体介绍
按照拟人机器人的要求, 机器人的每个关节应有2个自由度, 即可以简化成球铰。由于制造和控制的困难, 实际中可用2个相邻正交布置的旋转关节来代替1个球铰, 当这2个关节的中心相当接近时, 可等效于球铰的控制效果。XN-600-1具有3个运动模块 (共6个关节) , 机器人末端操作器的位姿由6个关节共同决定。XN-600-1系统结构如图1所示。
XN-600-1中, 马达驱动1根高速运动轴, 通过交替布置的弯曲关节和扭转关节, 将高速运动传递到末端操作器;计算机通过任务规划产生特定的角度信息, 由运动控制系统控制关节的运动 (正转、反转、制动) ;机器人运动过程产生的角度信息和速度信息由信号采集系统读回计算机进行反馈控制。
2 XN-600-1蛇形机器人的机械系统
XN-600-1基座内马达产生的主运动, 通过多个齿轮组将主运动依次传递给各个关节, 其中, 扭转关节的运动轴线与弯曲关节的运动轴线垂直正交。马达作为动力源提供动力给3个运动模块, 运动模块遵循模块化设计原则, 每个运动模块均包含扭转和弯曲2个关节 (图2) , 其功能和结构原理完全一样。
主运动经扭转关节传递给弯曲关节, 扭转关节驱动弯曲关节及后续关节模块绕本关节轴线旋转, 弯曲关节驱动后续关节模块绕本关节减速器轴线旋转。模块化设计使得整个机器人具有很好的扩展性, 在结构强度和刚度允许的情况下, 可以制成10节或更多节的冗余自由度蛇形机器人。
2.1 扭转关节结构
扭转关节包含输入换向齿轮组、离合器组、输出换向齿轮组、减速器、驱动臂及直齿轮行星轮系, 关节运动轴线与主运动平行, 关节结构如图3所示。
通过输入换向齿轮组将高速运动经直齿轮行星轮系传递给弯曲关节, 实现主运动在关节内的传递;通过离合器组提取输入换向齿轮组上的动能, 经输出换向齿轮组和减速器, 驱动驱动臂实现关节运动。离合器组受计算机系统控制, 提供本关节正转、反转、制动三种状态。理论上, 扭转关节的运动范围为[0°, 360°], 由于关节传感器的限制, 实际样机扭转关节的运动范围会稍小。
2.2 弯曲关节结构
与扭转关节类似, 在弯曲关节运动过程中, 低速的关节运动和高速的主运动并存, 通过离合器系统实现两种运动的耦合。弯曲关节的关节运动轴线与主运动轴线垂直, 关节结构如图4所示。
弯曲关节同样包含输入换向齿轮组、离合器组、输出换向齿轮组、减速器、驱动臂, 且功能与扭转关节类似, 与扭转关节的不同在于它通过一个锥齿轮行星轮系将主运动传给下一个关节模块。理论上, 弯曲关节的运动范围为[-90°, 90°], 但由于驱动臂外径的原因, 样机弯曲关节的运动范围较理论值稍小。
3 XN-600-1蛇形机器人运动学分析
3.1 XN-600-1坐标系统
为了研究关节变量空间与蛇形机器人末端执行器位置和姿态之间的关系, 建立样机的D-H坐标系统[6], 如图5所示。
从图5中的坐标系, 可得XN-600-1的D-H参数, 见表1。
表1中, α、a和d为机器人的结构参数, θ为关节变量。由于XN-600-1的关节正交布置, 连杆长度均为0, 表1中的l1～l6为臂节长度。由于相邻关节轴线正交, 故根据相邻连杆坐标系之间的变换矩阵计算公式, 可得到各个连杆的变换矩阵:
机器人末端与基座之间的坐标系变换矩阵为
由于D-H参数的特殊性, 因此,
3.2 XN-600-1运动仿真
根据D-H参数表, 建立XN-600-1仿真模型, 设定蛇形机器人末端运动轨迹为直线, 从A点 (0, 0, 1.525) 运动到B点 (0.600, 0.400, 0.800) , 机器人末端初始与末了三维状态如图6所示。
设定所有关节转角范围均为[0°, 360°], 在直线轨迹内均匀插入20个中间点, 采用MATLAB机器人工具箱进行仿真分析, 在关节空间内求解后, 得到6个关节的位移与时间的关系, 如图7所示。从图7可知, 各个关节的运动较柔顺, 仿真证明该机械结构可行。
(a) 扭转关节 (b) 弯曲关节
4 XN-600-1蛇形机器人样机介绍
研制成功的XN-600-1长1.5m, 重45kg, 扭转关节运动范围为[0°, 300°], 弯曲关节运动范围为[-70°, 70°], 样机如图8所示。
XN-600-1蛇形机器人可通过程序控制其几个关节联动 (最多可以实现6个关节的联动) , 实验表明各个关节可灵活运转;关节由齿轮组离合器控制运动输入, 单节齿轮组、离合器、减速器质量为1.4kg, 基座马达质量为2.4kg, 因此, 相对于传统机器人设计, 关节质量有所减小;关节采用谐波减速器, 其减速比为120, 因此, 齿轮间隙对末端误差的影响非常小, 机器人的末端精度由关节内反馈控制系统的系统精度决定。
5 结论
本文采用单马达驱动技术研制了一个蛇形机器人, 通过MATLAB仿真研究了样机XN-600-1的运动学问题, 实验表明样机在可达范围内运动灵活, 具有原理样机的各项功能。相对于尺寸相当的史陶比尔六自由度机器人TX90XL (重116kg, 末端重复定位精度为±0.03°) , XN-600-1 (关节误差为0.5°) 与之还有一定差距, 因而关节控制系统需要进一步优化。由于样机并不能达到仿真时的运动范围, 因此需要在受约束的运动空间内进行运动规划, 这将是接下来需要研究的问题。
参考文献
[1]蔡鹤皋.机器人将是21世纪技术发展的热点[J].中国机械工程, 2000, 11 (1/2) :58-60.
[2]蒋新松.未来机器人技术的发展方向[J].机器人技术与应用, 1997 (2) :2-5.
[3]Xie M.Fundamentals of Robotics:Linking Percep-tion to Action[M].World Scientific PublishingCompany.Singapore, 2003.
[4]Karbasi H, Huissoon J P, Khajepour A.Uni-driveModular Robots:Theory, Design, and Experiments[J].Mechanism and Machine Theory, 2004, 39:183-200.
[5]马培荪, 王建滨, 朱海鸿, 等.一种蛇形柔性臂的系统及结构[J].上海交通大学学报, 2001, 35 (1) :72-75.
马达驱动 篇3
DF100A型短波发射机是原广电部设备制造厂以美国大陆公司418型短波发射机为基础生产的100k W PSM短波发射机, 其马达控制驱动单元均使用OPA512驱动马达转动完成调谐。攻防模块OPA512属甲乙类高功耗器件, 在发射机调谐机构的频繁倒动过程中, OPA512发热严重, 因其故障导致马达驱动板出现单边、烧毁或无输出故障常常出现。而且市场上OPA512翻新贴牌常见, 质量参差不齐, 进口元件价格昂贵。为此, 本着寻找一种新的马达驱动技术, 更好的做好安全传输发射工作的初衷, 我台对DF100A型短波发射机的马达驱动控制器件进行了技术改造。通过实践证明, 应用VNH3SP30功率集成电路和微电脑控制技术, 采用H桥式马达驱动原理, 实现了发射机8路马达手动和自动控制, 简化了控制方式, 提高了设备的可靠性和可维护度, 实用效果良好。
1 DF100A伺服马达驱动控制原理
DF100A发射机设有10个预置调谐频道, 具有对3.2MHz~26.1MHz内频率进行调谐的能力。8路调谐元件均有相对应的驱动马达和随动电位器, 与发射机控制面板上调谐控制电位器接成电桥平衡电路。其基本原理如图1所示。
当R1和R2组成的电桥电路达到平衡时, 比较器U1无输出, 马达不转动。当电桥电路不平衡且比较器输入电压相差≥0.3V, 则U1就有输出电压去触发功率放大模块U2 (OPA512) , 并输出正的或负的28V直流电压, 使伺服马达MD正 (反) 转, 随动电位器R1跟随马达转动, 直到电路平衡为止。实际工作中, 通过人工预置控制电位器R1在某一位置, 加电后马达转动带动调谐元件, 同时随动电位器R2也转动, R2的转动方向是使比较器的入端压差趋小, 直到R1、R2组成的电桥电路平等为止, 调谐元件就处于控制电位器所设置的位置, 从而实现调谐。
2 H桥式马达驱动原理与应用
2.1核心器件的选择
OPA512功率放大器具有输出功率大、失真小等特点, 但该集成电路的输出级工作在甲乙类状态, 功耗大, 调谐时马达正反不断启动与停止, 发热现象严重, 易过热损坏, 加上存在静态电流, 马达可能存在漂移现象。为解决OPA512上述缺陷的对安全播出的影响, 寻找一种新型马达驱动核心器件尤为重要。之初, 我们选择美国国家半导体公司 (NS) 专用于运动控制的H桥组件LMD18200, 在同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件, 工作电压高达55V, 但峰值工作电流只有6A, 一般马达组件驱动基本正常, 但遇到谐波滤波器或组件阻力变大时, 此芯片功率不足的弊端明显。通常大电流直流电机多采用达林顿管或MOS管搭制的H桥实现PWM控制, 但由于分立器件各元件的特性不同, 使得驱动器具有一定的离散性, 且控制通断要求严格同步, 否则全桥出现短路而烧毁。
随着半导体技术的发展, 基于大功率MOS管的H桥驱动集成芯片显现优势。如意法半导体公司推出的全桥驱动芯片VNH3SP30就是专用的电机驱动器, 芯片核心是一个双单片上桥臂驱动器和两个下桥臂开关, 通过改变上下桥臂的通断顺序及脉冲宽度可实现马达转动方向和速度的控制。其具体性能指示如下:
1.工作电压高达40V, 最大电流30A;
2.功率MOS管导通电阻小, 只有0.034Ω;
3.5V兼容的逻辑电平控制信号输出;
4.内含欠压、过压保护电路;
5.芯片过热报警输出和自动关断。
通过对比, VNH3SP30的综合性能完全可以满足DF100A发射机马达驱动在工作电压、工作电流、功率耗散、封装等方面的要求。
2.2 H桥马达驱动原理
根据VNH3SP30逻辑真值表, ENA、ENB为使能端, INA、INB为方向控制输入, 通过高低电平组合控制马达正反转动。PWM脉宽调制信号是VNH3SP30重要的控制信号, 其最大工作频率为10k Hz。PWM信号通过控制H桥上的功率管的导通时间, 从而实现对输出负载平均电压的调节。我台在实际应用中使用2k Hz, 占空比可调的PWM信号控制马达转动的速度。PWM信号的一个低电平状态将会闭两下下桥臂开关, 而当PWM输入端由代电平变为高电平时, 下桥臂LA和LB导通与否取决于输入信号INA和INB。VNH3SP30逻辑真值表如表1所示。
VNH3SP30马达控制示意图如图2所示, 当INA为高电平, INB为低电平时, 上桥臂HA和下桥臂LB导通, 马达正转;当INA为低电平, INB为高电平时, 上桥臂HB和下桥臂LA导通, 马达正转;其他情况马达停止。
2.3应用实例
根据DF100A型发射机马达驱动控制原理, 应用单片机控制技术对VNH3SP30进行精确控制设计新型马达驱动板, 另设计了马达母版和电源板为新型马达驱动板提供电源和接口, 最终实现了8路调谐马达的精确控制, 该桥式马达驱动于2014年11月成功应用于我台7号短波发射机, 工作十分稳定。我台DF100A短波发射机采用H桥式马达驱动技术有如下特点:
1.新型马达驱动板的控制信号经过光电隔离, 有效的减少了控制输入输出的干扰, 调谐成功率高;
2.H桥式驱动, 采用单极性+28V作为马达驱动电源即可;
3.8路马达控制位置自动识别, 程序根据位置自动调整力度与步长, 板卡通用性强;
4.散热装置精简高效, 支持热插拔, 方便日常维护;
5.集成原马达缓冲板所有功能, 8路马达位置信号经处理后直接送入工控机读取AD值, 与原发射机自动化完美结合;
6.新型马达驱动板工作状态如实显示, 增加马达电源故障及马达控制板故障识别、提示;
7.驱动核心器件工作频率远低于额定值, 工作稳定性高;
8.功能电路采用了电源隔离、滤波、屏蔽接地等抗干扰技术, 满足大功率发射机高可靠性的设计要求。
3结束语
通过技术改造实例说明, 基于VNH3SP30功率器件和单片机控制技术的大电流直流电机H桥式马达驱动方案, 在DF100A发射机伺服控制系统得到实现。新马达驱动电路外围结构简单、体积小, 驱动能力大, 保护功能全, 可靠性大为提高。DF100A发射机使用新型马达驱动板后, 效果良好, 发射机运行稳定。电路采用光电隔离、电磁屏蔽等抗干扰处理, 稳定性强, H桥式马达驱动技术在大功率发射机中的应用前景良好。
参考文献