运动控制技术基础

固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统概述 „ 什么是运动控制？ 简单地讲，运动控制就是通过机械传动装置对运动部件的 位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的 轨迹和规定的运动参数（如速度、加速度参数等）完成相 应的动作。 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统的构成部件 „ 上位计算机：PC机 „ 运动控制器 „ 专用运动控制器 „ 开放式结构运动控制器 „ 驱动器：全数字式驱动器 „ 电机 „ 步进电机 „ 伺服电机：直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机 „ 反馈元件 „ 位置反馈元件：角度、位移 „ 速度反馈元件 „ 传动机构：齿型带；减速器；齿轮齿条；滚珠丝杠。 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统的典型构成 „开环控制系统 „ 电机：步进电机 „ 驱动器：脉冲分配，电流放大 „ 运动控制器：运动规划，位置脉冲指令 „ 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 驱动器上位计算机 运动控制器 电机 应用程序指令 运动指令 负载 传动机构 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统的典型构成（续1） „开环控制系统（控制器开环） „ 电机：（直流伺服电机）、交流伺服电机 „ 驱动器：电流放大，位置反馈控制 „ 运动控制器：运动规划，位置脉冲指令 „ 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界 面 驱动器上位计算机 运动控制器 电机 应用程序指令 运动指令 负载 反馈元件 传动机构 位置反馈 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统的典型构成（续2） „闭环控制系统 „ 电机：直流伺服电机、交流伺服电机 „ 驱动器：速度反馈控制，电流放大 „ 运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自电机轴 „ 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 反馈元件 驱动器上位计算机 运动控制器 电机 应用程序指令 运动指令 负载 传动机构 位置反馈 速度反馈 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统的典型构成（续3） „闭环控制系统（控制器与负载闭环） „ 电机：直流伺服电机、交流伺服电机 „ 驱动器：速度反馈控制，电流放大 „ 运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载 „ 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 驱动器上位计算机 运动控制器 电机 应用程序指令 运动指令 负载 反馈元件 传动机构 位置反馈 速度反馈 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 电机控制基本知识 „ 常见的控制电机 „ 步进电机 „ 两相 „ 三相 „ 五相 „ 伺服电机 „ 直流伺服电机 „ 交流伺服电机 „ 直线电机 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机 步进电机是一种将数字式电脉冲信号转换 为角位移的机电执行元件。 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的工作原理(续1） „ 当步进电机的一相绕组（A 相）通电时，产生力矩使 电机转动至位置P（通常叫 一个步距角），当另一相 （B相）绕组通电时，电机 转动至Q点 Torque Angle IA = 1 IB = 1 P Q Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motor’s stator creating torque which turns the rotor. 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的工作原理(续2） „ 当A相绕组反相通电 时，电机转到R点， 当B相绕组反相通电 时，电机转动至S点 AngleIBIA 7.201 5.4-10 3.60-1 1.810 001 IA = 1 IB = 1 0 1.8 Torque Position3.6 5.4 通常每一步为1.8º，下图 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示了整步运行的情况 R IA = 1 IB = 1 P Q Torque Angle IA = -1 S 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的工作原理(续3） „ 整步运行图 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的工作原理(续4） „ 半步运行模式: A相通Æ P点 B相通Æ Q点 A、B相同时通Æ H点 IA = 1 IB = 1 Both P H Q 7.201 6.3-11 5.4-10 4.5-1-1 3.60-1 2.71-1 1.810 0.911 001 Angle (deg)IBIA 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的工作原理(续5） 半步运行 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的工作原理(续6） „ 微步运行模式—细分运行模式 „ 电机旋转的位置随A相和B相绕组中的电流的 比例而变化 IA = 1 IB = 1 P G Q 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的控制 运动控制 器 脉冲/正脉冲 方向/负脉冲 驱动器 步进 电机 运动控制器：产生脉冲和方向信号 驱动器：脉冲环行分配、电流放大 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的优点 „ 低成本 „ 控制简单，能直接实现数字控制 „ 开环控制，位移与脉冲数成正比，速度与脉 冲频率成正比 „ 结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用 „ 抗干扰能力强 „ 无累积定位误差（一般步进电机的精度为步 进角的3-5%，且不累积 ） 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机的缺点 „ 单步响应中有较大的超调量和振荡 „ 承受惯性负载能力差，仅适用于负载惯量与电机转子 惯量比低的运行情况（惯量比小于3） „ 转速不够平稳，粗糙的低速特性 „ 不适合于高速运行 „ 自振效应 „ 高速时损耗较大 „ 低效率，电机过热（机壳可达90℃） „ 噪音大，特别在高速运行时 „ 当出现滞后或超前振荡时，几乎无法消除 „ 可选择的电机尺寸有限，输出功率较小 „ 位置精度较低 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流伺服电机工作原理 • 通电线圈与磁场的相互作用产生了伺服电机的转矩 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流伺服电机工作原理（续1） 定子：磁场—永磁体 转子：电枢绕组 换向：换向器与碳刷 „ 加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用， 使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交变的，从而使 电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动朝确 定的方向连续旋转。 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流伺服电机工作原理（续2） „ 转矩方向与电流方向的关系 Torque θ Current 为确保直流电动机朝确 定的方向连续旋转，通 过线圈的电流方向是交 变的。 转矩随 θ变化曲线图，θ 为线圈与磁力线的夹角。 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流电动机的换向 电流的换向是由电刷和换向器共同完成的。 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流电机驱动 „ 驱动器 „ 电源放大器 „ 通常接受±１０Ｖ的模拟电压信号 „ 可工作在速度模式或电流模式 „ 线性放大器，开关型放大器（ＰＷＭ方式） ∑∑ T M 电压 命令 电流反馈 速度放大器 电机 － － 速度反馈 电流放大器 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流伺服电机的控制 运动控制器：速度指令，位置反馈取自电机轴 驱动器：速度反馈控制（或许电流反馈控制）， 电流放大 驱动器运动控制器 电机 运动指令 负载 反馈元件 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 直流伺服电机的优缺点 „ 优点: „ 精确的速度控制 „ 转矩速度特性很硬 „ 原理简单、使用方便 „ 价格优势 „ 缺点: „ 电刷换向 „ 速度限制 „ 附加阻力 „ 产生磨损微粒(对于无尘室) „ 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：无刷电子换向电机 2008-3-5 25 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 交流伺服电机－－无刷电机 • 改变电机的结构 –—磁极作转子，线圈作定子 • 线圈中的电流方向可以使用电子方式换向 • 在换向过程中，需要测量磁场磁力线与线圈的夹角 • 霍尔传感器可以测量转子的磁场 • 通常的结构： • 三相电机 • 三个霍尔传感器 CI BI AI C2 B2B1 C1 A1 B1 C2B2 C1 A2 N S A1 A2 2008-3-5 26 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 交流伺服电机工作原理（续） „ 电子换相（VS电 刷换向） „ 磁极位置检测 2008-3-5 27 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 霍尔传感器 将3个霍尔传感器装再定子上，各相差120度（不是空间 角度）均布在电机一端。 H1 H2 H3 States 101 100 110 010 011 001 2008-3-5 28 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 驱动器（放大器）工作原理 • 霍尔传感器定义了6种逻辑状 态。 • 每一状态 –一个上边的（奇 ）晶体管导通, 同时一个下边 的（偶）晶体管导通。 T1 T3 T5 T2 T4 T6 IA IB IC +VS H1 H2 H3 States 101 100 110 010 011 001 2008-3-5 29 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 伺服放大器结构框图 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 交流伺服电机的控制 运动控制 器 位置反馈 驱动器 交流 伺服 电机 运动控制器：产生速度控制信号 驱动器：速度反馈控制，电子换向 速度指令 速度反馈与换 向信号 光电编码器 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 交流伺服电机的优点 „ 良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现 平滑控制，几乎无振荡。 „ 高效率，90%以上，不发热 „ 高速控制 „ 高精确位置控制（取决于何种编码器） „ 额定运行区域内，实现恒力矩 „ 低噪音 „ 没有电刷的磨损，免维护 „ 不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、 易暴环境 „ 惯量低 „ 价格具有竞争性 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 交流伺服电机的缺点 „ 控制较复杂 „ 驱动器参数需要现场调整 „ PID参数整定 „ 需要更多的连线 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 驱动器 „ 步进电机驱动器（Indexer） „ 接受脉冲信号控制绕组电流切换；环形 分配器 „ 伺服电机驱动器 „ 可控制电机的速度和力矩；也可直接控制电 机的位置 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统中的反馈检测元件 „ 光电式位置检测元件 „ 旋转式光电编码器 （电机位置、速度和 换相信号） „ 光栅尺（负载位置） 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 运动控制系统中的反馈检测元件（续） „ 霍尔传感器（Hall Effect Sensor） „ 产生电机换相信号 „ 测速发电机 （Tachometer） „ 产生电机速度信号 „ 旋转变压器 （Resolver） „ 产生电机位置信号 2008-3-5 36 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 编码器分类与功能 „ 分类 „ 直线位移式(光栅 尺）VS 旋转式编码 器 „ 绝对式 VS 增量式 „ 功能 „ 电机转子位置检测 „ 电机速度检测 „ 电机转子磁极位置检 测 (a) Rotary Incremental Optical Encoder 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 方波信号增量编码器 光电元件 刻度盘扫描标线 聚光器 光源 (LED) 典型情况下，电机每旋转一周， 编码器产生1,024个周期脉冲 轨迹 A 轨迹 B 零位标记 = 参考位置标记 轨迹 A 轨迹 B 边沿检测 = 4倍脉冲 2008-3-5 38 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 编码器信号种类 ¾ A、B、Z相信号，A、B相为正交信号； ¾ 单端、差动输出； ¾ TTL方波、正旋波输出； 2008-3-5 39 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 编码器信号接口 „ 集电极开路输出（OC） „ 差动输出 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 Sin/Cos光电编码器， Vpp = 1V 光电元件 刻度盘扫描标线 光源 (LED) 模拟信号( Vpp = 1V)经过 A/D 转换成 高分辨率数字信号 典型分辨率： 2,048脉冲每正弦周期 典型分辨率： 4,000,000个脉冲每周期 电机每旋转一周，编码器产生 2,048个周期的sin/cos信号脉冲 正弦轨迹 余弦轨迹 聚光器 零位标记 = 参考位置标记 1 V 2008-3-5 41 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 绝对位置编码器 „ 上电读取绝对位置 „ 工作时按增量式编码器 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 使用增量信号的绝对值编码器 单圈绝对值编码器 聚光器 光源 扫描标线 光电元件 刻度盘 霍尔元件 变速箱 旋转编码器 增量轨迹 对一个具有8192个位置 的机械旋转进行二进制 编码 16:1 16:1 分辨率: 256 倍 分辨率: 4,096 倍 多圈绝对值编码器 电机转速 16:1 分辨率: 16 倍 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 最常用的机械传输方式 „ 旋转到旋转的转换 „ 齿型带 „ 带有螺旋轮和平行轴的减速器 „ 摆线及外摆线转减速器 „ 正切丝杠减速器或格立森(Gleason)齿轮。 „ 旋转到直线运动的转换 „ 齿型带 „ 齿轮齿条 „ 金属带 „ 滚珠丝杠 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 各种传动方式的比较 „ 齿型带：价格便宜、反应慢，应用于控制带宽窄的 场合 „ 齿轮减速器：间隙较大，摆线和外摆线齿轮减速相 齿隙较小，但价格贵 „ 齿轮齿条：传动行程长、但反向间隙较大，非线性 因素，易引起系统振荡 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 各种传动方式的比较（续） „ 滚珠丝杠：可以适合多 种情形的传动，精度高、齿 隙较小、可以达到较高的速 度；但对大行程的传动不合 适，抗弯抗扭的刚性和惯量 限制了电机选型和系统控制 带宽 „ 总的说来，直线电机是 高性能直线运动的最 佳控制方式 Backlash is caused by space of "play" between contacting surfaces in ball screws, gears, belt drives, and other linear motion devices.