固高運(yùn)動控制技術(shù)基礎(chǔ)【業(yè)界精制】

1、運(yùn)動控制技術(shù)基礎(chǔ),1,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)概述,什么是運(yùn)動控制？ 簡單地講，運(yùn)動控制就是通過機(jī)械傳動裝置對運(yùn)動部件的位置、速度進(jìn)行實(shí)時的控制管理，使運(yùn)動部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)（如速度、加速度參數(shù)等）完成相應(yīng)的動作,2,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop 電機(jī)：步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動器：脈沖分配，電流放大 運(yùn)動控制器：運(yùn)動規(guī)劃，位置脈沖指令 上位計算機(jī)：運(yùn)動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,3,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)1,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop） 電機(jī)：（直流伺服電機(jī)）、交流伺服電機(jī) 驅(qū)動器：電流放大，位置反饋控制 運(yùn)動控制器：運(yùn)動規(guī)劃，位

2、置脈沖指令 上位計算機(jī)：運(yùn)動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,傳動機(jī)構(gòu),位置反饋,4,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)2,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 驅(qū)動器：速度反饋控制，電流放大 運(yùn)動控制器：運(yùn)動規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自電機(jī)軸 上位計算機(jī)：運(yùn)動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,5,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)3,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 驅(qū)動器：速度反饋控制，電流放大 運(yùn)動控制器：運(yùn)動規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自負(fù)載 上位計算機(jī)：運(yùn)動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,6,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型

3、構(gòu)成（續(xù)4,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機(jī)：直線電機(jī) 驅(qū)動器：速度反饋控制，電流放大 運(yùn)動控制器：運(yùn)動規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自負(fù)載 上位計算機(jī)：運(yùn)動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,7,技術(shù)教育,閉環(huán)控制的幾種形式,8,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)的構(gòu)成部件,上位計算機(jī)：PC機(jī) 運(yùn)動控制器 專用運(yùn)動控制器 開放式結(jié)構(gòu)運(yùn)動控制器 驅(qū)動器：全數(shù)字式驅(qū)動器 電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī) 反饋元件 位置反饋元件：角度、位移 速度反饋元件 傳動機(jī)構(gòu)：齒型帶；減速器；齒輪齒條；滾珠絲杠,9,技術(shù)教育,電機(jī)控制基本知識,常見的控制電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 永磁式：兩相（7.5度

4、） 反應(yīng)式：三相（1.5度） 混合式：兩相（1.8度）或五相（0.72度） 伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī) 直線電機(jī),10,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理,步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電執(zhí)行元件,單極與雙極連線模式,11,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)1,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的一相繞組（A相）通電時，產(chǎn)生力矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動至位置P（通常叫一個步距角），當(dāng)另一相（B相）繞組通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)動至Q點(diǎn),Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing t

5、he poles in the motors stator creating torque which turns the rotor,12,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)2,當(dāng)A相繞組反相通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)到R點(diǎn)，當(dāng)B相繞組反相通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)動至S點(diǎn),13,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)3,單極整步運(yùn)行圖 雙極整步運(yùn)行圖,14,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)4,半步運(yùn)行模式,A相通 P點(diǎn) B相通 Q點(diǎn) A、B相同時通 H點(diǎn),7.2,0,1,6.3,1,1,5.4,1,0,4.5,1,1,3.6,0,1,2.7,1,1,1.8,1,0,0.9,1,1,0,0,1,Angle (deg,IB,

6、IA,15,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)5,單極半步運(yùn)行,雙極半步運(yùn)行,16,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)6,微步運(yùn)行模式細(xì)分運(yùn)行模式 電機(jī)旋轉(zhuǎn)的位置隨A相和B相繞組中的電流的比例而變化,17,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的控制,18,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),低成本 控制簡單，能直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制 開環(huán)控制，位移與脈沖數(shù)成正比，速度與脈沖頻率成正比 結(jié)構(gòu)簡單，無換向器和電刷，堅固耐用 抗干擾能力強(qiáng) 無累積定位誤差（一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積,19,技術(shù)教育,步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn),單步響應(yīng)中有較大的超調(diào)量和振蕩 承受慣性負(fù)載能力差，僅適用于負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量比低的運(yùn)行情況 （慣量

7、比小于3） 轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)，粗糙的低速特性 不適合于高速運(yùn)行 自振效應(yīng) 高速時損耗較大 低效率，電機(jī)過熱（機(jī)殼可達(dá)90） 噪音大，特別在高速運(yùn)行時 當(dāng)出現(xiàn)滯后或超前振蕩時，幾乎無法消除 可選擇的電機(jī)尺寸有限 ，輸出功率較小 位置精度較低,20,技術(shù)教育,直流伺服電機(jī)工作原理,通電線圈與磁場的相互作用產(chǎn)生了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,21,技術(shù)教育,直流伺服電機(jī)工作原理（續(xù)1,定子：磁場永磁體 轉(zhuǎn)子：電樞繞組 換向：換向器與碳刷,加于直流電機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機(jī)電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn),22,技術(shù)教育

8、,直流伺服電機(jī)工作原理（續(xù)2,轉(zhuǎn)矩方向與電流方向的關(guān)系,為確保直流電動機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過線圈的電流方向是交變的,轉(zhuǎn)矩隨 q變化曲線圖，q為線圈與磁力線的夾角,23,技術(shù)教育,直流電動機(jī)的換向,電流的換向是由電刷和換向器共同完成的,24,技術(shù)教育,直流電機(jī)驅(qū)動,驅(qū)動器 電源放大器 通常接受的模擬電壓信號 可工作在速度模式或電流模式 線性放大器，開關(guān)型放大器（方式,25,技術(shù)教育,直流伺服電機(jī)的控制,運(yùn)動控制器：速度指令，位置反饋取自電機(jī)軸 驅(qū)動器：速度反饋控制（或許電流反饋控制），電流放大,26,技術(shù)教育,直流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn): 精確的速度控制 轉(zhuǎn)矩速度特性很硬 原理簡單、使用方

9、便 價格優(yōu)勢 缺點(diǎn): 電刷換向 速度限制 附加阻力 產(chǎn)生磨損微粒(對于無塵室) 解決方案：無刷電子換向電機(jī),27,技術(shù)教育,交流伺服電機(jī)無刷電機(jī),改變電機(jī)的結(jié)構(gòu) 磁極作轉(zhuǎn)子，線圈作定子 線圈中的電流方向可以使用電子方式換向 在換向過程中，需要測量磁場磁力線與線圈的夾角 霍爾傳感器可以測量轉(zhuǎn)子的磁場 通常的結(jié)構(gòu)： 三相電機(jī) 三個霍爾傳感器,28,技術(shù)教育,交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,29,技術(shù)教育,交流伺服電機(jī)工作原理（續(xù),電子換相（VS電刷換向） 磁極位置檢測,30,技術(shù)教育,霍爾傳感器,將3個霍爾傳感器裝再定子上，各相差120度（不是空間角度）均布在電機(jī)一端,31,技術(shù)教育,如何放置霍爾傳感器,

10、假設(shè)轉(zhuǎn)矩曲線為梯形曲線,32,技術(shù)教育,三相電流和力矩的關(guān)系,每一相有三個階段: 正向電流 1/3 時間 負(fù)向電流 1/3 時間 沒有電流 1/3 時間 在三相中，總是： 一相正向電流 一相負(fù)向電流 一相沒有電流 由此可見，電流總是接通一相的同時斷開另一相,33,技術(shù)教育,驅(qū)動器（放大器）工作原理,霍爾傳感器定義了6種邏輯狀態(tài)。 每一狀態(tài) 一個上邊的（奇）晶體管導(dǎo)通, 同時一個下邊的（偶）晶體管導(dǎo)通,34,技術(shù)教育,驅(qū)動器（放大器）工作原理（續(xù),35,技術(shù)教育,伺服放大器結(jié)構(gòu)框圖,36,技術(shù)教育,電流PWM控制,脈寬調(diào)制技術(shù)（三角波、正弦波） 非低噪音模式,37,技術(shù)教育,電流PWM控制（續(xù),

11、低噪音模式,38,技術(shù)教育,電流輸出,39,技術(shù)教育,幾種交流伺服電機(jī),40,技術(shù)教育,電子換向,利用霍爾元件檢測到轉(zhuǎn)子磁場變化，并給出正確的狀態(tài)來接通（或關(guān)斷）相應(yīng)的繞組電流，6種狀態(tài)完成一次轉(zhuǎn)化，對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極 利用上述原理控制的電機(jī)稱為直流無刷電機(jī) 交流伺服電機(jī)是直流無刷電機(jī) 無位置傳感器原理：電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，每一相的反電動勢過零兩次，而電機(jī)換流時刻與反電動勢過零時刻有固定的對應(yīng)關(guān)系，因此可以得到換流時刻,41,技術(shù)教育,交流伺服驅(qū)動器的換向,Drive with Hall sensor, Encoder or Resolver for commutation and Feedbac

12、k,42,技術(shù)教育,交流伺服驅(qū)動器的換向 （續(xù)1,Drive with Commutating Encoder,43,技術(shù)教育,交流伺服驅(qū)動器的換向 （續(xù)2,Drive with Resolver,44,技術(shù)教育,交流伺服電機(jī)的控制,運(yùn)動控制器,位置反饋,驅(qū)動器,交流伺服電機(jī),運(yùn)動控制器：產(chǎn)生速度控制信號 驅(qū)動器：速度反饋控制，電子換向,速度指令,速度反饋與換向信號,光電編碼器,45,技術(shù)教育,交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩。 高效率，90%以上，不發(fā)熱 高速控制 高精確位置控制（取決于何種編碼器） 額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒力矩 低噪音 沒有電刷

13、的磨損，免維護(hù) 不產(chǎn)生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環(huán)境 慣量低 價格具有競爭性,46,技術(shù)教育,交流伺服電機(jī)的缺點(diǎn),控制較復(fù)雜 驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整 PID參數(shù)整定 需要更多的連線,47,技術(shù)教育,驅(qū)動器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器（Indexer） 接受脈沖信號控制繞組電流；環(huán)形分配器 伺服電機(jī)驅(qū)動器 模擬式：通?？煽刂齐姍C(jī)的速度和力矩 數(shù)字式：可控制電機(jī)的速度和力矩；也可直接控制電機(jī)的位置,48,技術(shù)教育,模擬伺服驅(qū)動器,49,技術(shù)教育,數(shù)字伺服驅(qū)動器,50,技術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件,光電式位置檢測元件 旋轉(zhuǎn)式光電編碼器（電機(jī)位置、速度和換相信號） 光柵尺（負(fù)載位置,51,技

14、術(shù)教育,運(yùn)動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件（續(xù),霍爾傳感器（Hall Effect Sensor） 產(chǎn)生電機(jī)換相信號 測速發(fā)電機(jī) （Tachometer） 產(chǎn)生電機(jī)速度信號 旋轉(zhuǎn)變壓器 （Resolver） 產(chǎn)生電機(jī)位置信號,52,技術(shù)教育,編碼器分類與功能,分類 直線位移式(光柵尺）VS 旋轉(zhuǎn)式編碼器 絕對式 VS 增量式 功能 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測 電機(jī)速度檢測 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測,a) Rotary Incremental Optical Encoder,53,技術(shù)教育,編碼系統(tǒng) 檢測實(shí)際速度值和/或?qū)嶋H位置,旋轉(zhuǎn)式編碼系統(tǒng),絕對值編碼器,增量編碼器,旋轉(zhuǎn)變壓器,sin/cos 光信號,方波脈沖

15、 編碼器,兩極,多極,HTL,TTL,絕對值編碼器基于可選 組件sin/cos光電編碼器 和減速箱單元 單個絕對值編碼器基于 32極旋轉(zhuǎn)變壓器和減速箱單元,單圈,多圈,單圈,多圈,無增量信號,有增量信號,EnDat SSI PROFIBUS,EnDat SSI PROFIBUS,EnDat SSI,EnDat SSI,54,技術(shù)教育,方波信號增量編碼器,55,技術(shù)教育,編碼器信號種類,A、B、Z相信號，A、B相為正交信號； 單端、差動輸出； TTL方波、正旋波輸出,56,技術(shù)教育,編碼器信號接口,集電極開路輸出（OC） 差動輸出,57,技術(shù)教育,Sin/Cos光電編碼器， Vpp = 1V,5

16、8,技術(shù)教育,絕對位置編碼器,上電讀取絕對位置 工作時按增量式編碼器,59,技術(shù)教育,使用增量信號的絕對值編碼器,60,技術(shù)教育,兩極旋轉(zhuǎn)變壓器,61,技術(shù)教育,最常用的機(jī)械傳輸方式,旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換 齒型帶 帶有螺旋輪和平行軸的減速器 擺線及外擺線轉(zhuǎn)減速器 諧波驅(qū)動 正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。 旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)換 齒型帶 齒輪齒條 金屬帶 滾珠絲杠,62,技術(shù)教育,各種傳動方式的比較,齒型帶：價格便宜、反應(yīng)慢，應(yīng)用于控制帶寬窄的場合 齒輪減速器：間隙較大，擺線和外擺線齒輪減速相齒隙較小，但價格貴 諧波齒輪減速箱：體積小、傳動比大、齒隙小，但價格較貴，剛性不高 正切絲杠減

17、速器：應(yīng)用場合有限，不是合低速時使用，潤滑要求高、效率低 齒輪齒條：傳動行程長、但反向間隙較大，非線性因素，易引起系統(tǒng)振蕩,63,技術(shù)教育,各種傳動方式的比較（續(xù),滾珠絲杠：可以適合多種情形的傳動，精度高、齒隙較小、可以達(dá)到較高的速度；但對大行程的傳動不合適，抗彎抗扭的剛性和慣量限制了電機(jī)選型和系統(tǒng)控制帶寬 總的說來，直線電機(jī)是高性能直線運(yùn)動的最佳控制方式,Backlash is caused by space of play between contacting surfaces in ball screws, gears, belt drives, and other linear motion devices,64,技術(shù)教育,直線電機(jī)同其他傳動方式比較,滾珠絲杠、齒行帶和直線電機(jī),65,技術(shù)教育,直線電機(jī)的發(fā)展,工作原理：交流伺服電機(jī)的電子和轉(zhuǎn)子都展開，電子換