刘春山 scliu@mail.ustc.edu.cn 驱动器及电源 刘春山 scliu@mail.ustc.edu.cn.

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1 刘春山 scliu@mail.ustc.edu.cn
驱动器及电源 刘春山

2 目录 驱动、传动简介 电、气驱动详解 电源系统

3 1、驱动、传动简介 机器人系统框架

4 传动技术 1、驱动、传动简介 齿轮、齿条 带轮 凸轮 涡轮 链条 推荐书籍：《机械制造工程基础》——【德】约瑟夫.迪林格等
齿轮传动：旋转运动，精度高 齿条传动：直线运动，精度高 皮带传动：旋转运动，精度低，冲击小 凸轮传动：往复运动，顺序动作 涡轮涡杆传动：变比大，精度高 螺杆传动：往复运动，精度高 链条传动：精度低，结构简单 涡轮 链条 推荐书籍：《机械制造工程基础》——【德】约瑟夫.迪林格等

5 传动技术 1、驱动、传动简介 齿轮传动：旋转运动，精度高 齿条传动：直线运动，精度高 皮带传动：旋转运动，精度低，冲击小
凸轮传动：往复运动，顺序动作 蜗轮蜗杆传动：变比大，精度高 螺杆传动：往复运动，精度高 链条传动：精度低，结构简单 齿轮传动：旋转运动，精度高 齿条传动：直线运动，精度高 皮带传动：旋转运动，精度低，冲击小 凸轮传动：往复运动，顺序动作 涡轮涡杆传动：变比大，精度高 螺杆传动：往复运动，精度高 链条传动：精度低，结构简单

6 驱动技术 1、驱动、传动简介 液压 气动 电气 其他 ：机械驱动、电磁驱动、智能驱动器等 推荐书籍：《机器人技术及其应用》——张福学
液压系统的作用为通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油 一个典型的气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件及气源净化元件所组成 电气 其他 ：机械驱动、电磁驱动、智能驱动器等 推荐书籍：《机器人技术及其应用》——张福学

7 2、电/气驱动——电驱 小型电机分类 电机选型 电机驱动 结合以往的经验，本次主要介绍电驱动、气驱动系统及电源系统的构造与选型

8 四种小型电机 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机 永磁直流无刷电机 步进电机 舵机
有刷电机：机械换向——电刷，用来和换向器配合来实现电机电流换向，换电刷 无刷电机——电子换向装置，控制器成本高 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件 舵机，PWM波控制占空比对应一定的角度；舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置

9 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机 由永磁铁、电机转子、电刷、电机外壳组成，其中转子由绕组和换向器构成。
永磁铁：具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。近年来，在制造电机永磁铁的材料中，稀土永磁材料得到了广泛的应用。其中以钕铁硼（Nd2Fe14B）为代表的第三代磁铁，其本身磁力是自身重量的640倍，即能吸起自身重量640倍的铁。钕铁硼具有极高的磁能积，同时能量密度极高。 转子由电刷和换向器构成。 电刷常用两种材料：石墨（碳刷）、稀有金属。

10 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——电刷 石墨电刷适用于大电流载荷、频繁启停、需要反向动作的场合，能承受更高的转子温度。
稀有金属电刷导电性极好。电刷上损耗不大，但耐磨性差，导致电机寿命低。由于刷片薄，也不能承受大电流。常用于微型电机。（四驱车） 电刷和换向器的耗损主要由电火花（弧光放电）造成，可以在电机的两个引出线之间接电容来减小电火花。 1、法兰；2、永磁体；3、外壳；4、轴；5、绕组；6、换向器板；7、换向器；8、石墨电刷；9、贵金属电刷；10、盖子；11、电气连接；12、滚珠轴承；13、套筒轴承

11 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——转子 转子：有铁芯转子、无铁芯转子（空心杯）
有铁芯转子：将漆包线绕在叠压的表面有绝缘层的硅钢片上形成电机绕组。 缺点：铁芯处在交变磁场下会产生铁损，铁损由磁滞和涡流产生。降低效率。

12 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——转子 转子：有铁芯转子、无铁芯转子（空心杯） 没有铁损，转子质量变轻，没有齿槽效应。
无铁芯电机的不足之处：1、气隙大（绕组一般是铜铝，导磁率与空气差不多），导致所需激磁磁势大，磁铁成本高；2、绕组制造工艺复杂。

13 2、电/气驱动——电驱 直流电机等效电路 启动特性

14 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 转向控制 继电器

15 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 转向控制 H桥

16 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 调速控制 分压、分流调速（电阻调速）
基本规律：一、电压和转速成正比例关系，二、电流和转矩成正比例关系。

17 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 调速控制 PWM调速 基本规律：PWM技术通过调节占空比实现对模拟电压大小的调节。

18 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制
控制芯片——L293B（芯片datasheet网站: 2组H桥、4.5～36V、1A 二极管为了防止感应电动势对芯片的损坏。 有的单片机有硬件PWM，如果没有，一般用定时器。

19 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 控制芯片——L298N 2组H桥，6～46V，2A，过热自动关断、电流反馈检测。
发热较严重，需增加散热片。 注：3.3V电平可能有问题，解决办法，加光耦。 光耦隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接

20 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 控制芯片——LMD18200单电机驱动芯片 55V，3A，过热自动关断、电流反馈检测
注意事项：新的芯片超级贵，一般淘宝都是拆机件 、

21 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——驱动控制 控制芯片——2998双H桥集成芯片 50V，2A，过热自动关断，电流反馈检测 、

22 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服控制
伺服系统（servomechanism）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（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

23 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服控制 位置环（外环） 电流环（内环） 伺服控制系统框图

24 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服控制 全数字伺服系统结构 基于8051的全数字伺服系统结构
传统的输入量为模拟量；高速微处理芯片的发展促使伺服发展为全数字技术。但是，在高尖端领域，模拟量依然占据统治地位，毕竟数字量太理想化。 绿色——定时器产生PWM；蓝色——电流反馈；黄色——编码器反馈（两路辩向+位置）

25 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服PID控制 PID控制系统原理

26 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服PID控制 比例控制 积分控制 微分控制
对偏差迅速做出反应；Kp越大，控制作用越强；但是容易产生振荡。 积分控制 将误差累计后输出；只要有误差存在，积分环节就会的输出就会不断变大，知道误差为0。因此，积分控制可以消除稳态误差；但是使得到达稳态的时间变长，限制系统的快速性。 微分控制 根据偏差变化的趋势进行控制；有助于减少超调量，克服振荡，加快跟踪速度；但是对输入信号的噪声敏感，不适合噪声较大的场合。

27 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服PID控制 PID参数的整定 模型已知，则通过系统辨识获取。 模型未知，则实验法。
过渡过程响应法 临界稳定测量法

28 2、电/气驱动——电驱 永磁直流有刷电机——伺服PID控制 多轴控制 轨迹插补（直线、圆弧、贝塞尔） 运动规划（雅克比矩阵、解耦） 控制卡：
国外：MEI, PMAC, ACS, Aerotech, Galil, Trio, Baldor, Parker。 国内：固高，乐创，雷塞，凌华，研华，众为兴，维宏。

29 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——内转子

30 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——外转子 一般航模用得比较多，价格较内转子便宜一些

31 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——外转子 因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，

32 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——控制 无感无刷电机：电子调速器（航模电调）
无刷电子调速器是利用微控制器，通过对场效应管通断的控制达到信号的控制与调节，实现无刷电机转速的调控。电子调速器植入了抵抗干扰的调理和滤波模块电路，使无刷电机的调速变得更平稳。

33 2、电/气驱动——电驱 永磁直流无刷电机——控制
无刷电子调速器三根输出线分别连接到无刷电机的U、V、W三相，两根电源线分别连接锂聚合物电池的正负极，一根PWM信号线与主控电路相连。主控芯片提供占空比为0%—100%的PWM信号即可实现直流无刷电机的全范围调速（注：实际使用中可能到达某个占空比才开始转动，建议用信号发生器来调试）。变换U、V、W三相的相序即可实现航模无刷电机的换向。

34 2、电/气驱动——电驱 步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在不超过额定载荷的范围内，上电自锁，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，控制方便。 只有周期性误差而无累积误差。

35 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本特点 易于启动、停止、正反转变化和变速响应性好 脉冲数字控制转动角度精确，无累积误差
和MCU之间有很好的兼容性 无换向器，可靠性高，寿命长 停止驱动可保持一定转矩 驱动能力弱，能源利用率低 超负荷运行容易失步

36 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数 拍数：电机转过一个齿距角所需脉冲数
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移 步数：步进电机转动一周所需要的行进次数 四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数*运行拍数） 转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

37 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 单三拍：A-B-C-A（整步） 双三拍：AB-BC-CA-AB（整步）
单双六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A（半步） 四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数*运行拍数） 转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

38 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 单三拍 双三拍 单双六拍

39 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 单三拍三相步进电机步进过程

40 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 双三拍三相步进电机步进过程

41 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 六拍三相步进电机步进过程

42 2、电/气驱动——电驱 步进电机——基本参数 三种驱动方式： 整步驱动：一个脉冲一个步距角 半步驱动：一个脉冲半个步距角
细分驱动：一个脉冲1/8，1/16个步距角，正弦、余弦电流细分。

43 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 单片机引脚实现控制时序，信号经三级管（达林顿管）放大驱动步进电机。
ULN2003和ULN2004 自己按照一定时序生成脉冲波

44 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 单片机引脚实现控制时序，信号经三级管（达林顿管）放大驱动步进电机。
UDN2540和UDN2544

45 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 单片机引脚实现控制时序，信号经三级管（达林顿管）放大驱动步进电机。
2803: 350mA、95V

46 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 芯片内部实现控制时序，MCU只提供脉冲、方向、控制方式（整步、半步、细分）
UCN5804单极性: 35V、1A，单、双、半拍。

47 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 芯片内部实现控制时序，MCU只提供脉冲、方向、控制方式（整步、半步、细分）
RD-021M8: 10～40V、1.5A

48 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 芯片内部实现控制时序，MCU只提供脉冲、方向、控制方式（整步、半步、细分）
RD-023ms: 18～40V，3A

49 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 芯片内部实现控制时序，MCU只提供脉冲、方向、控制方式（整步、半步、细分）
Toshiba TA8435：整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择。

50 2、电/气驱动——电驱 步进电机——控制方式 芯片内部实现控制时序，MCU只提供脉冲、方向、控制方式（整步、半步、细分） 时代超群：

51 2、电/气驱动——电驱 舵机——基本信息 （1）大扭矩：舵机中的电机扭矩经多级齿轮 （1/180度左右）减速后输出到输出轴，因此扭矩得到放大，舵机内的直流电机体积很小，但减速后仍可以提供很大的扭矩。 （2）自锁特性：在不超过额定负载的情况下，舵机所处的位置只与脉冲的占空比有关，因此舵机能够在其转动范围内的任意角度自锁，其自锁电流较小。 （3）控制方便：舵机只有三根控制线，分别为 地线、电源线及信号线，信号线接收+5V高电平的PWM信号，控制电路已经集成在舵机内部，控制较为简单，不需要额外的驱动电路。 （注意：舵机的PWM信号频率为50HZ(20ms)；高电平时间仅占0.5ms~2.5ms；对应角度0度~180度。）

52 2、电/气驱动——电驱 舵机——基本信息 能量密度有限，没有尺寸很大的舵机，也没有舵机做成的大型的机器人。
一维尺度加倍，三维尺度增加8倍，但功率增加不了8倍。 注：舵机标称电压一般为4.8～6V，但一般用7.4V（8.4V）锂聚合物电池供电也可以，但更容易造成抖动，如果扭矩充足，将锂电池电压降压再给舵机供电。 STM32的硬件PWM可能会使某些质量不好的舵机产生抖动，可以采用模拟PWM来尝试

53 2、电/气驱动——电驱 舵机——基本信息 Futaba：日本双叶电子工业株式会社，无线遥控界的领导者。近来将其技术推广到休闲娱乐如遥控飞机(车、船)等产品，发展成为热门的户外休闲运动。 深圳市春天模型电子有限公司：专业研发制造各种舵机和模型遥控设备。

54 2、电/气驱动——电驱 舵机——基本信息 Hitec：主要生产遥控模型专用的遥控器及伺服电机、舵机、接收机、飞机模型、智能机器人。
GWS：台湾广盈电子有限公司，主要有舵机、卫星用伺服机、陀螺仪、遥控飞机等一系列的电子相关产品。 Tower pro：主要生产无刷电机、舵机、电子调速器及其它航模产品。 注：辉盛舵机仿制品很多，购买时要注意！

55 2、电/气驱动——电驱 舵机——基本信息 MG945： 0.5ms——2.5ms(0——185度)。
（测试的时候，先使用示波器测量一下周期） 有的舵机控制周期不是0.5ms——2.5ms，例如Hitec舵机（0.9ms——2.1ms） 对应（0——120度） 先微分后积分调节舵机转速

56 2、电/气驱动——电驱 电机选型

57 2、电/气驱动——电驱 电机选型——负载计算 注意：对于高速运动 或者 加速运动，惯性力不可忽略。
参考书籍：《机器人的创意设计与实践》——宗光华

58 2、电/气驱动——电驱 电机选型 电机的几个重要因素 功率——决定能量大小； 减速器——输出力矩的关键因素 编码器——反馈位置精度等
通信方式——RS232/485、CAN总线等；决定传输速率

59 2、气压驱动 利用压缩空气0.8MPa（8个大气压）以下，将气体膨胀能量转化为机械能。 世界上最好的两个做气动元器件的厂商：
日本的SMC和德国的festo(费斯托)。 Festo有气动教程 特点：原理简单，容易实现，直线速度较快，推力较大。但系统较为庞大，有噪声。 参考书籍：《现代机械设计手册(单行本):气压传动与控制设计》——谢里阳 & 秦大同

60 2、气压驱动 气泵 空气压缩机 气罐 空气滤清稳压器 电磁阀 执行元件

61 2、气压驱动 RoboGame2011吸附机器人

62 2、气压驱动 气动机器人实例： 魔方机器人

63 3、电源系统 电源转化方式 交流—>直流 开关电源：斩波原理，效率较高，常用的机箱ATX电源，12V和5V接线可以提供较大的电流
直流—>交流 逆变器：汽车、UPS电源核心组件。 直流—>直流（降压） 电源芯片：7805、LM2576或者DC-DC模块 稳压芯片，如果降压比较大，需注意散热问题。用散热片或者硅脂等散热。

64 3、电源系统 常用的稳压芯片 12V稳压：7812、LM2940CT-12等 9V稳压：7809、LM2940CT-9.0等
3.3V稳压：LM V、LM2576HVT-3.3等

65 3、电源系统 基本参数 电压 容量：maH、AH、WH=AH 乘以 电压
放电速率：单位C，乘以容量 得到放电电流，例如，Imax=2200maH X 20C =44A，可以提供的功率P=22.2V X 44A=976.8W。

66 3、电源系统 电源分类 铅酸电池：蓄电池，价格跟功率有关。 镍镉/镍氢电池：1.2V每单元，有记忆效应，维护较麻烦 锂系：
锂离子电池（Li-ion）：手机、DV上用的大多数，放电速率稍小。标称单元电压：3.6V 锂聚合物电池（Li-Poly）：大电流放电，常用于航模等动力电池，推荐使用，标称单元电压3.7V，满电压4.2V，注意充电方式（平衡充电器）。 磷酸铁锂电池（LiFePO4）：单元3.2V，可做成大电池单元，用于动力电池，电动汽车、电动公交用的都是此类电池，国轩高科。

67 3、电源系统 放电特性 锰干电池和碱干电池 蓄电池

68 3、电源系统 选用方法 减少充电次数 选用大容量的电池 减轻电池质量 选用小容量电池，充电次数增加
（注意：一般不推荐电池盒来串联，电阻大，连接不可靠；也不要用焊锡将电池串联，防止受热不均导致碱液外泄。推荐现成的电池组。）

69 谢谢