多軸運動控制器和驅(qū)動器

1、多軸運動控制器1、運動控制器概述 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的提高，運動控制器的出現(xiàn)在某種意義上滿足了新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準化、開放性的要求，為各種工業(yè)設(shè)備、國防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置的自動化控制系統(tǒng)的研制和改造提供一個統(tǒng)一的硬件平臺。整體而言，運動控制器是一種控制裝置，其核心為中央邏輯控制單元,敏感元件一般為傳感器，控制對象為電機或動力裝置和執(zhí)行單元。目前，大多數(shù)的運動控制器是一種基于PC機或工業(yè)PC機的上位控制單元，多用于控制步進電機或伺服電機，在控制過程中，控制器可以完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等）。一般地，控制器都配有開放的函數(shù)庫供用戶在D

2、OS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)，從而構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。 圖1給出典型的PC+運動控制器組成的開放式控制系統(tǒng)的簡圖：一般地，運動控制器發(fā)送運動控制指令到伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運行，再通過伺服電機上的編碼器反饋信號返回至運動控制器，至此，整個運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制器的閉環(huán)控制。圖1 典型的Pc+運動控制器組成的開放式控制系統(tǒng)的2、運動控制器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在20世紀90年代,國際發(fā)達國家就已經(jīng)相繼推出運動控制器產(chǎn)品，包括美國Deltatau公司的PMAC多軸運動控制器，英國TRIO公司的PCI208多軸運動控制器以及德國MOVTEC公司開發(fā)的DEC4T運動控制器等。近年來

3、，運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的工業(yè)領(lǐng)域所接受。目前，由這些發(fā)達國家研制的運動控制器已開始在機器人控制、半導(dǎo)體加工、飛行模擬器等新興行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，其在傳統(tǒng)的機床控制領(lǐng)域所占的市場份額也在不斷的擴大。 我國在運動控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對滯后，1999年固高科技有限公司開始開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器，隨后，國內(nèi)又有其它幾家公司進入該領(lǐng)域，但實際上，其大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運動控制器產(chǎn)品，真正進行自主開發(fā)的公司較少。深圳固高、深圳摩信是國內(nèi)較早（20世紀90年代晚期）從事獨立開放式運動控制器的廠家，推出了一些通用的運動控制器。如固高的GT系列運動控制器、摩信

4、的MCT8000系列運動控制器；長沙力鼎科技有限公司的MC系列3軸模擬電壓控制/編碼器反饋型運動控制器，4軸有/無反饋脈沖輸出型運動控制器；南京順康數(shù)碼科技有限公司的MC6014A使用了帶插補功能、可以控制4個電機的DSP運動控制芯片，適用于PC機ISA總線的線路板；成都步進機電有限公司的MPC01和MPC02系列3軸步進或數(shù)字式伺服控制運動控制器。 目前，我國作為世界上經(jīng)濟發(fā)展最快的國家之一，市場上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級和換代對運動控制器的市場需求越來越大，在這樣的形勢下,研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高水平、高可靠性的開放式運動控制器，突破發(fā)達國家對我國的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)運動控制器的國

5、產(chǎn)化顯得尤為重要。3、運動控制器分類 目前市場上可以看到的運動控制器依據(jù)不同的原則有不同的分類。按照運動控制器的核心技術(shù)方案，主要有基于模擬電路型、基于微控制單元型、基于可編程邏輯型、基于數(shù)字信號處理（DSP）型等；按照運動控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為基于總線的運動控制器和獨立應(yīng)用的運動控制器以及混合型的運動控制器；按照位置控制原理，可以分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種基本的控制方案；按照被控量的性質(zhì)和運動控制方式，可以分為位置控制、速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。 而國內(nèi)的運動控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類： （1）以單片機或微處理器作為核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢，精

6、度不高，成本相對較低。在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應(yīng)用。 （2）以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，大多數(shù)工作于開環(huán)控制方式，基本滿足于對單軸的點位控制。但對于要求多軸協(xié)調(diào)運動和高速軌跡插補控制的設(shè)備，這類運動控制器不能夠提供連續(xù)插補功能，很難滿足要求。 （3）基于PC總線的以DSP和FPGA為核心處理器的開放式運動控制器。近年來，DSP以其功能強、速度快、編程和開發(fā)方便等優(yōu)點，在多軸運動控制技術(shù)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。此類控制器即以DSP作為核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，以插卡形式嵌入PC機，形成“PC+運動控

7、制器”的模式。功能上，通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運動控制與復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。 第一類運動控制器由于其性能的限制，主要應(yīng)用于一些單軸簡單運動的場合。第二類運動控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，占有一定的市場份額，但由于其專用芯片（ASIC）僅能提供運動控制的基本功能，限制了這種運動控制器在復(fù)雜條件的使用。第三類運動控制器是目前國內(nèi)運動控制器產(chǎn)品的主流，應(yīng)用也從傳統(tǒng)的機床數(shù)控擴展到了如機器人控制、激光加工、紡織、電子加工等多個領(lǐng)域。本課題的研究內(nèi)容即為設(shè)計出一款適應(yīng)于工業(yè)焊接機械人的第三類運動控制器。4、運動控制器發(fā)展趨勢 隨著控制技術(shù)的快速

8、發(fā)展，傳統(tǒng)的運動控制技術(shù)由于其封閉式結(jié)構(gòu)!控制軟件兼容性差等原因，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。 目前而言，新型的運動控制器有以下幾個主要的發(fā)展趨勢： 現(xiàn)階段，新型數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準化、柔性化的要求促使了現(xiàn)代控制系統(tǒng)中開放性體系概念的提出。所謂開放性體系即系統(tǒng)應(yīng)具備使不同應(yīng)用程序能很好地運行于不同供應(yīng)商提供的不同平臺之上的能力，不同應(yīng)用程序之間能夠相互操作的能力和一致的用戶交互風(fēng)格。新型運動控制器應(yīng)該以開放化為目標(biāo)，能夠方便地與機床、機器人等被控設(shè)備聯(lián)接，硬件上能夠?qū)崿F(xiàn)一到多個坐標(biāo)軸位置、速度和軌跡伺服控制，軟件上具有完善的軌跡插補、運動規(guī)劃和伺服控制。 其次,新型運動控制器應(yīng)該在結(jié)構(gòu)上應(yīng)形成模塊

9、化，易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準化，可以通過積木方式進行方便的相互組合，以建立適用于不同場合、不同功能需求控制系統(tǒng)，為各種工業(yè)設(shè)備、國防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置的自動化控制系統(tǒng)的研制和改造提供一個統(tǒng)一的硬件平臺。 最后，新型的運動控制器應(yīng)該緊跟計算機技術(shù)的快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代計算機功能的強大，利用運動控制卡和PC機相結(jié)合，或者將PC系統(tǒng)直接嵌入運動控制卡中已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展趨勢。驅(qū)動器1、直流無刷電機的優(yōu)點及其驅(qū)動器 直流電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速），調(diào) 速范圍寬，低速性能好（啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。?，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用 場合從工業(yè)到民用（如家電、汽車

10、等）場合極其廣泛。但是由于無刷直流電動機<>功率因 數(shù)高，又無轉(zhuǎn)子損耗所以效率很高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴格與電源頻率保持同步，轉(zhuǎn)子磁場用永久磁鐵產(chǎn)生。目前這種電機廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床的進給驅(qū)動，機器人的伺服驅(qū)動以及新一代家用電器的變速驅(qū)動中，由于變頻調(diào)速方法具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，因此應(yīng)用前景十分看好。 目前無刷直流電動機的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的直流電動機無大的差別，由于 電子換相電路的成本高于機械換向器，因而使無刷直流電動機的成本及售價增加， 從而限制了它的應(yīng)用。特別是當(dāng)前直流電動機的應(yīng)用已擴展到民用產(chǎn)品的領(lǐng)域，無刷直流電動機的價格是限制其應(yīng)用的主要因素。1.1直流無刷電機的優(yōu)

11、點電機可以無級調(diào)速，工作轉(zhuǎn)速范圍很大，可滿足各種運行模式下的轉(zhuǎn)速要求。由于采用DSP 芯片將驅(qū)動器及控制器集成于一體，用戶可方便地在驅(qū)動器上編程， 從而實現(xiàn)各種變速甚至定位動作。 無刷直流電機可以工作在超低轉(zhuǎn)速，這一點超越了交流變頻器的性能，所以新 型無刷直流電機完全可以取代小功率交流變頻器。 無刷直流電機起動力矩大，幾乎不受電網(wǎng)電壓波動的影響。 無刷直流電機比交流變頻系統(tǒng)效率還要高。 無刷直流電機溫升較低，與同功率交流電機相比溫升可低 30%左右，因而其壽命要大大高于交流電機。 無刷直流電機噪音較低。 1.2直流無刷電機的驅(qū)動器 永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的驅(qū)動器一般采用電壓源型脈寬調(diào)制(

12、PWM)交-直-交變頻器。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響:諧波造成電機發(fā)熱，能耗增加，引起電磁和機械噪聲。二要看對電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)。這兩方面， 對于在量大面廣的家用電器中的應(yīng)用尤為重要，它直接關(guān)系到能量的節(jié)省、噪音對環(huán)境的 影響和對電網(wǎng)的污染。由高開關(guān)頻率自關(guān)斷器件組成的 PWM 交直交變頻器再加上合理的 控制可以達到較高的性能。2、交流伺服電機的優(yōu)點及其驅(qū)動器2.1交流伺服電機的優(yōu)點（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低。（2）定子繞組散熱比較方便。（3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。（4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。2.2交流伺服電機驅(qū)動

13、器 交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元及相應(yīng)的反饋檢測器件組成。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動器其集先進的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)所不可比擬的。 目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路

14、，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。 伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動板）是強電部，分其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。 控制板是弱電部分，是電機的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運行載體。控制板通過相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程 1、 直流伺服技術(shù) 伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機類型分為直流（DC）伺

15、服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機和直流電機實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計算機外圍設(shè)備和機械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機的應(yīng)用最為廣泛的時代。2、 交流伺服技術(shù) 從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機的類型來分，主要有兩大類:永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機交流伺服系統(tǒng)。

16、其中，永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動機交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機結(jié)構(gòu)堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。 系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異

17、步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點。3、 交

18、直流伺服技術(shù)的比較 直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動化（FA）等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 從伺服驅(qū)動產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應(yīng)用中，精度更高、速度

19、更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。4、伺服控制算法  工業(yè)控制中常用的方法是PID調(diào)節(jié)器，盡管隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、智能控制等。從理論分析，許多控制策略都能實現(xiàn)良好的電機動靜態(tài)特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對系統(tǒng)進行模型辨識比較麻煩，因此，在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)時困難，對于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器而言，其最大的優(yōu)點在于算法簡單，參數(shù)易于整定，具有較強的魯棒性，而且適應(yīng)性強，可靠性高，這些特點使PID控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對于數(shù)控系統(tǒng)中的控制對象而言并不復(fù)雜，用PID調(diào)節(jié)器更易實現(xiàn)預(yù)期效果。4.1 位置環(huán)PID

20、控制算法    在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，引入積分環(huán)節(jié)的目的是為了消除靜差，提高精度，但在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時，會產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對于伺服電機的運行來說是不利的。為減小電機在運行過程中積分校正對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，采用積分分離PID控制正當(dāng)其時，當(dāng)電機的實階位置與期望位置的誤差小于一定位值時，再恢復(fù)積分校正環(huán)節(jié)，以便消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。    積分分離PID控制算法需設(shè)定積分分離閥，當(dāng)|e（k）|時，即偏差值較大時，采用PD控制，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)有較快響應(yīng)；當(dāng)|e（k）|時，即偏差值比較小時，采用PID控制，以保證伺服電機位置控制精度。    離散化PID控制算式為：    其中，k為采樣序號，k=0，1，2；Kp、Ki、Kd分別表示比例、積分、微分系數(shù)。在實際中，若執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量，根據(jù)遞堆原理可得增量式PID控制算式為：4.2 位置環(huán)控制算法流程圖2所示為控制算法流程圖。4.3 控制系統(tǒng)參數(shù)的整定    主控微機向控制卡發(fā)送PID參數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過程需用參數(shù)整定實現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務(wù)是確定Kp