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指南目录：
???机械臂速成指南(零点5):机械臂相关资源
机械臂速成指南(零):指南的主要内容及分析方法
机械臂速成指南(1)
机械臂速成指南(2):机械臂的应用
机械臂速成指南(3):机械臂的机械结构
机械臂速成小指南(4):机械臂关键部件减速机
机械臂速成小指南(5)
机械臂速成指南(7):机械臂姿势描述方法
运动学建模(标准)DH法）
机械臂速成小指南(9):正运动学分析
机械臂速成指南(十)
机械臂速成指南(11):坐标系标准命名
机械臂速成小指南(12):逆运动学分析
机械臂速成小指南(十三):轨迹规划概述
********************以下为正文********************
一、电机驱动器概述
1.步进电机简介
步进电机是一种脉冲信号转换为转轴角位移的特殊电机。当驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机转动相应的角度。在机械臂控制过程中，我们通过调整脉冲数来控制电机的旋转角度，并配合行星减速器驱动机械臂关节；同时，我们还可以通过调整脉冲频率来控制关节旋转的速度和加速度，从而完成终端执行器和关节的轨迹规划。步进电机可分为永磁式、反应式和混合式，如下图所示。
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| 永磁式 | 反应式 | 混合式 |
永磁步进电机的转子由永磁体制成，定子由软磁材料制成，两者都没有齿槽。永磁转子产生电磁转矩，通电并产生与转子磁场排斥的固定磁场。永磁步进电机的优点是成本低，扭矩大，断电时有定位扭矩；缺点是步距大，定位精度低，启动频率低，运行频率低。
反应步进电机又称磁阻步进电机，分为单段步进电机和多段步进电机。反应步进电机的定子和转子由软磁材料制成，周围均匀分布有齿槽。当定子绕组激磁通电时，齿槽之间的间隙磁场发生变化，然后产生扭矩驱动定子旋转。反应步进电机具有输出扭矩大、转速高、响应速度快的优点；缺点是振幅大、振荡时间长、断电后无定位扭矩。
混合步进电机结合了永磁步进电机和反应步进电机的优点，即输出扭矩大、精度高、运行稳定、断电后仍有定位扭矩。混合步进电机的定子是由软磁材料制成的，转子是两端有软磁材料的圆柱形永磁铁，周围也有齿槽。混合步进电机
2.步进电机驱动器
步进电机驱动器是将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机按设定方向旋转固定角度（称为步距角），其旋转以固定角度逐步运行。角位移可以通过控制脉冲数来控制，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率速度可以通过控制脉冲频率来控制，从而达到调速和定位的目的。当没有脉冲输入时，气隙磁场可以在绕组电源的激励下保持转子的原始位置，即处于定位状态。
选择合适的步进电机驱动，可以提高步进电机运行的稳定性和精度。我选择的电机驱动型号是DM542与OK2D4020A，其中，OK2D4020A驱动器用于驱动4号电机，其余5个电机由DM542驱动器驱动。
以DM以542为例，32位驱动DSP(数字信号处理Digital Signal Processing，简称DSP）采用内置微细分技术的技术，即使在低细分条件下，也能达到高细分效果，低中高速 运行平稳，噪音低。参数自动整定功能集成在驱动器内，可自动生成不同电机的最佳运行参数，具有过压、欠压、短路保护等保护功能。
3.电气指标和环境参数
输出电流(峰值)、输入电源电压、控制信号输入电流、步进脉冲频率信号输入电流、步进脉冲频率和绝缘电阻DM以542为例，其电气指标如下图所示。
电机驱动的环境参数通常包括温湿度、振动和粉尘DM以542为例，其环境参数如下图所示。
二、细分驱动工作原理
细分驱动本质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运行性能，实现步进电机步距角的高精度细分。细分驱动的优点是：
- 提高步距均匀性，从而提高控制精度，减少每一步步的步距角；
- 低频振荡是步进电机的固有特性，细分是消除电机振动的最佳方法；
- 减少转矩脉动，增加输出转矩。
步进电机驱动器可以进一步细分控制电路发出的脉冲信号，大大提高驱动精度，称为细分。步进电机驱动器主要由环分配单元和功率驱动单元组成，驱动原理如下图所示。
1.环形分配单元
又称环分器或脉冲分配单元，主要功能是把来源于控制环节（下位机）的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各相输入端。环形分配器的输出既是周期性的，又是可逆的。
环分配单元可以通过硬件或软件实现。硬件环分配的基本结构是触发器，其数量与步进电机相同；软件环分配通过编程生成控制表。
以两相四拍驱动两相步进电机为例，以单序列脉冲为例x，输入环形分配单元后，x可以分A与?B两个输出脉冲对应步进电机的A相绕组和B相绕组。当输出端输出时A，当输出端输出时，步进电机A相绕组通电B ，步进电机B相绕组通电，图2.七是两相四拍驱动模式x、?A与?B的波形图。
以DM542为例，采用八位拨码开关设定细分精度、动态电流、静止半流以及实现电机参数 以及内部调整参数的自整定。拨码开关的详细描述如下图所示。
| 拨码开关各位意义 | 拨码开关实物图 |
其细分设定表如下所示。
2.功率驱动单元
当得到适当的脉冲波形后，需对其进行放大后驱动电机，常用的有功率MOS管组成的H桥电路。
三、下位机、驱动器与电机的连接方式
1.控制信号接口
PUL为脉冲控制信号，脉冲上升沿有效;PUL-高电平时4~5V，低电平时0~0.5V。为了可靠响应脉冲信号，脉冲宽度应大于12μs。如采用+12V或+24V时需串电阻。
DIR为高/低电平信号，为保证电机可靠换向，方向信号应先于脉冲信号至少5us建立。电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任一相绕组(如 A+、A-交换)可以改变电机初始运行的方向，DIR-高电平时4~5V，低电平时0~0.5V。
ENA为使能信号，用于使能或禁止。ENA+ 接+5V，ENA-接低电平（或内部光耦导通）时，驱动器将切断电机各相的电流使电机处于自由状态，此时步进脉冲不被响应。当不需用此功能时，使能信号端悬空即可。
2.强电接口
GND为直流电源地；+V为直流电源正极；A、B分别为A、B相的线圈。
四、步进电机选配方法
选择电机时主要由电机的扭矩和额定电流决定。扭矩大小主要由电机尺寸决定。尺寸大的电机扭矩较大；而电流大小主要与电感有关，小电感电机高速性能好，但电流较大。
1.电机选配
（1）负载转矩
其中，J：负载的转动惯量；ε：负载的最大角加速度； C：安全系数，推荐值 1.2-1.4；T_负载：最大负载转矩，包括有效负载、摩擦力、传动效率等阻力转矩。
（2）转矩影响因素
对于给定的步进电机与线圈接法，输出转矩有以下特点：
- 电机实际电流越大，输出转矩越大，但电机铜损（P=I^2R）越多，电机发热偏多；
- 驱动器供电电压越高，电机高速扭矩越大；
- 由步进电机的矩频特性图可知，高速比中低速扭矩小。
力矩—转速特性图如下所示
2.电机接线方法
对于 6、8 线步进电机，不同线圈的接法电机性能有相当大的差别，如下图所述：
3. 供电电压与输出电流的选定
（1）供电电压的选择
一般来说，供电电压越高，电机高速时力矩越大。越能避免高速时掉步。但另一方面，电压太高会导致过压保护，电机发热较多，甚至可能损坏驱动器。在高电压下工作时，电机低速运动的振动会大一些。
（2）输出电流的设定
对于同一电机，电流设定值越大时，电机输出力矩越大，但电流大时电机和驱动器的发热也比较严重。具体发热量的大小不仅与电流设定值有关，也与运动类型及停留时间有关。以下的设定方式采用步进电机额定电流值作为参考，但实际应用中的最佳值应在此基础上调整。原则上如温度很低（<40℃）则可视需要适当加大电流设定值以增加电机输出功率（力矩和高速响应）。
- 四线电机：输出电流设成等于或略小于电机额定电流值；
- 六线电机高力矩模式：输出电流设成电机单极性接法额定电流的 50%；
- 六线电机高速模式：输出电流设成电机单极性接法额定电流的 100%；
- 八线电机串联接法：输出电流可设成电机单极性接法额定电流的 70%；
- 八线电机并联接法：输出电流可设成电机单极性接法额定电流的 140%。
五、步进电机驱动机械臂关节的编程实现
对同一个步进电机而言，末端执行器由初始位姿变换至不同的目标位姿时，其旋转方向、旋转速度及旋转角度通常不同。并且，在变换的过程中电机转速也不是恒定的：变换初期电机加速旋转，变换中期电机匀速旋转，变换末期电机减速旋转。
为确保关节正确旋转以及末端执行器能以稳定的轨迹到达期望位姿，必须对驱动各关节的步进电机进行精确的控制。本文选择以AT mega 2560为核心的Arduino下位机和两种型号的步进电机驱动器完成对步进电机的控制，相关代码烧录于下位机中，下表列出了控制1号电机的Arduino程序中所用到的主要变量名称及含义。
1号电机控制程序中主要变量名称及含义
| 序号 |
名称 |
含义 |
| 1 |
ACCStep |
加速运动步数 |
| 2 |
DCCStep |
减速运动步数 |
| 3 |
J1step |
1号电机旋转步数 |
| 4 |
AdjSpeed |
机械臂速度参数 |
| 5 |
J1caldir |
1号电机旋转方向 |
| 6 |
J1rotdir |
1号电机旋转方向标识 |
| 7 |
J1stepPin |
1号电机脉冲控制引脚 |
| 8 |
J1dirPin |
1号电机方向控制引脚 |
以关节1的控制为例，关节1的旋转方向由1号电机方向控制引脚J1dirPin控制，当引脚为高电平时电机反转，低电平时电机正转。方向控制引脚J1dirPin 的电平由J1caldir与J1rotdir共同决定。其中，J1rotdir由电机驱动的型号决定，J1caldir由上位机的运算结果决定。
关节1的旋转速度的调节是通过延时函数delayMicroseconds()以及机械臂速度参数AdjSpeed实现的：参数增大，延时时间增长，关节旋转速度降低；参数减小，延时时间减少，关节旋转速度增加。
关节1的旋转角度由加速运动步数ACCStep、减速运动步数DCCStep及1号电机旋转步数J1step确定。