交流伺服動控制系統(tǒng)教學(xué)課件

1、交流伺服運動控制系統(tǒng)主講：曾理湛、陳學(xué)東數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室電話Email:zenglizhan本課程的任務(wù)：了解交流伺服運動控制系統(tǒng)的檢測技術(shù)及選型掌握永磁同步電動機交流伺服運動控制系統(tǒng)的建模、控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真方法了解多種現(xiàn)代交流伺服運動控制技術(shù)了解交流伺服運動控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用1 緒論1.1 什么是“交流伺服運動控制”1.2 交流伺服運動控制系統(tǒng)的發(fā)展1.3 交流伺服運動控制系統(tǒng)的組成及特點1.4 現(xiàn)代交流伺服運動控制技術(shù)1.5 課程特點、內(nèi)容安排及學(xué)習(xí)方法(1) 電機：機電能量變換的主要裝置 1、 電機及運動控制系統(tǒng)1.1什么是“交流伺服運動控制”

2、 直流、交流 旋轉(zhuǎn)、直線、多自由度 三相交流鼠籠式異步電機的定子和轉(zhuǎn)子直流電動機自動控制系統(tǒng) （按應(yīng)用分）： 運動控制 (Motion control)過程控制 (Process control)例如： 過程控制: 啤酒發(fā)酵過程，化工提煉過程，鍋爐控制 運動控制:（續(xù)頁）(2) 運動控制系統(tǒng)主要區(qū)別是被控量及控制目標(biāo)不同，“運動控制”以機械運動的驅(qū)動設(shè)備-電機為控制對象，解決“電能機械能”中的控制問題，實現(xiàn)運動機械的運動要求 (2) 運動控制系統(tǒng)芯片光刻機主軸電機帶制動器伺服電機伺服電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機數(shù)控機床各種制造裝備及生產(chǎn)線:PCB生產(chǎn)線：貼焊、打孔、放置生產(chǎn)線運動控制

3、半導(dǎo)體制造裝備：光刻機、芯片封裝機機械加工裝備：各型數(shù)控機床(2) 運動控制系統(tǒng)機器人各個關(guān)節(jié)的伺服控制 ASIMO 2003: 行走速度3.2km /h 2004: 舞蹈機器人（近藤） 2005: 自行車自主運行 2010：仿生龜空間機器車：旅居者（1997）軍事裝備：雷達跟蹤，自動武器，飛行器控制民用及醫(yī)療：空調(diào)、洗衣機、CT機現(xiàn)代交通：電動汽車、電動自行車、磁懸浮按電機分：直流傳動系統(tǒng)交流傳動系統(tǒng)按被控量分：以速度為控制量：調(diào)速系統(tǒng)以位置為控制量：位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）按控制器的類型分:模擬控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)按控制原理分：PID控制、模糊控制按閉環(huán)數(shù)分：單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)系統(tǒng)(3) 運

4、動控制系統(tǒng)分類可交叉：如數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)交流伺服運動控制是以電力電子為基礎(chǔ)、以交流電機為控制對象、以自動控制理論為指導(dǎo)、以電子技術(shù)和微處理器控制及計算機輔助設(shè)計為手段,并與檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合,將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動,實現(xiàn)機械運動精確的位置控制（速度控制、轉(zhuǎn)矩）的控制。2 “交流伺服運動控制”定義 簡而言之：交流電機驅(qū)動的位置隨動（伺服）運動控制 制造業(yè)是國民經(jīng)濟持續(xù)增長的發(fā)動機、國家安全的重要保障及國家綜合實力的主要體現(xiàn) 交流伺服運動控制是運動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，是數(shù)字制造裝備的核心功能部件，應(yīng)用廣泛3 交流伺服運動控制技術(shù)的重要性高性能交流伺服運動控

5、制系統(tǒng)的主要制造商： 美國:GE, Rockwell, Emerson, Ansolder, 歐洲:Siemens, ABB, CT (Emerson), 日本: Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji, 19世紀(jì)中先后誕生了直流傳動和交流傳動。 在20世紀(jì)的大部分年代里，已形成公認(rèn)的格局： 交流不調(diào)速80% 直流調(diào)速 20% 在20世紀(jì)80-90年代形成新的格局： 交流調(diào)速80%直流調(diào)速10%交流不調(diào)速10%1.2交流伺服運動控制的發(fā)展1 長期以來，電機調(diào)速以直流電機為主 20世紀(jì)70年代以前，凡是要求調(diào)速范圍廣速度控制精度高和動態(tài)響應(yīng)性能好的場合，幾乎全都采用

6、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，而交流電動機主要用于不需要變速的電力傳動系統(tǒng)中，因為：（1）直流電動機易于控制，改變電機的輸入電壓或勵磁電流，就可在范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。（2）交流電機的電流和轉(zhuǎn)矩特性不是固定的，不易控制 。2 直流電機存在嚴(yán)重缺陷：機械接觸式換向器（1）換向器表面線速度及換向電流、電壓有一極限容許值。（2）由于要照顧到換向器的可靠工作，電樞及換向器的直徑一般都做的比較大，電機的轉(zhuǎn)動慣量就大。（3）換向器必須定期停機檢修，運行中也要經(jīng)常注意觀察換向器的火花情況。1.2交流伺服運動控制的發(fā)展3 交流電機的優(yōu)越性 交流電動機，特別是籠式異步電動機，擁有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、價格便宜及不需要經(jīng)常維修

7、等特點，使其得到了十分廣泛的應(yīng)用。如果能控制好，它具有直流電機無法比擬的優(yōu)越性。 1.2交流伺服運動控制的發(fā)展（1）20世紀(jì)20年代人們就認(rèn)識到了，但當(dāng)時直至本世紀(jì)50年代中期，一直幾乎無法實現(xiàn)。（2）20世紀(jì)50年代中期，晶閘管研制成功，不僅開創(chuàng)了電力電子技術(shù)的新時代，同時也帶來交流電機控制技術(shù)發(fā)展的一個大飛躍。（3） 20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的矢量控制理論帶交流電機控制技術(shù)的革命，使交流電機的控制性能在理論上和直流電機相當(dāng)。（4） 20世紀(jì)80年代的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，也對交流電機控制技術(shù)發(fā)展發(fā)展起來推動作用。4 交流電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、交流電機控制技術(shù)發(fā)展極大促進

8、了交流電機伺服運動控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。1.2交流伺服運動控制的發(fā)展1.3交流伺服運動控制的組成及基本要求1 骨骼運動電機部分：交流永磁電機 功率變換部分：可控整流、直流斬波、逆變等控制器部分：PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等大腦/脊椎傳出神經(jīng)效應(yīng)器傳入神經(jīng)感受器肌肉/骨骼2 交流伺服運動控制的組成指令發(fā)生器多軸位置控制器伺服驅(qū)動X-Y運動平臺目標(biāo)位置指令電流位置/速度反饋插補算法位置控制位置控制速度控制電流控制2 交流伺服運動控制的組成指令位置/速度反饋電流電網(wǎng)單軸運動3 交流伺服運動控制系統(tǒng)的基本要求1、穩(wěn)定性好：系統(tǒng)在給定輸入或干擾作用下，能快速調(diào)節(jié)到

9、達新的或者回復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。2、精度高：系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量的精確程度。通常在0.01mm0.001mm之間。3、快速響應(yīng)性好：跟蹤指令信號的響應(yīng)快，過渡調(diào)節(jié)時間在200ms以內(nèi)，上升率大。1.4 現(xiàn)代交流伺服運動控制技術(shù) 數(shù)字化、高精度、高速度、高性能是交流伺服運動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，主要表現(xiàn)在： 1、利用迅速發(fā)展的電子和計算機技術(shù)，增強軟件控制功能，排除模擬電路的誤差及溫度漂移等因素的影響，采用最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制 2、開發(fā)高精度、快速檢測元件 3、開發(fā)高性能伺服電機 4、控制理論在伺服運動控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)和應(yīng)用1. 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動技術(shù)全數(shù)字進給伺服系統(tǒng) 脈沖比較伺服系統(tǒng)全數(shù)字交流

10、伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展過程 2. 直線電機驅(qū)動技術(shù) 旋轉(zhuǎn)電機和直線電機結(jié)構(gòu)對比 1）高速響應(yīng)：取消了響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件。 2）精度：取消了機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差。 3）傳達剛度高：避免了中間傳導(dǎo)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后，同時提高了傳達剛度。 4）速度快、加減速過程短：可達210g，滾珠絲桿0.10.5g。 5）行程長度不受限制。 6）噪聲低。 7）效率高。直線電機性能特點：3. 可編程計算機控制器技術(shù) 傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時鐘掃描或監(jiān)控程序，無法滿足I/O通道的高實時性要求，PCC采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件平臺，滿足了實時控制的要求。4. 運動

11、控制卡 基于工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合的上位控制單元。采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，PC機負(fù)責(zé)人機交互和實時監(jiān)控，控制卡完成運動控制的所有工作。 標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開發(fā)性；方便構(gòu)建運動控制硬件平臺；充分發(fā)揮PC機的功能。PC+PMAC運動控制卡構(gòu)建的二維平臺20MHz Motorola DSP 56001系列數(shù)據(jù)信號處理器8路（數(shù)模轉(zhuǎn)換）16位DAC輸出16個碼盤通道輸入16個通用I/OI/O擴展端口越程極限，回原點，伺服放大器報警，使能標(biāo)志信號接口LCD和VFD顯示端口Bus and/or RS-422通信脫機運行G-Code 編程（可自定義）PMAC 1 的標(biāo)準(zhǔn)配置線

12、性，圓弧， 三次軌跡計算，樣條插補256個運動程序存儲能力64個異步PLC程序存運行超大程序的實時下載執(zhí)行功能64位位置計數(shù)范圍位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)三環(huán)矢量控制能力曲線加減速控制自定義伺服算法能力電子齒輪先進的PID及擴展伺服算法5. 網(wǎng)際開放式結(jié)構(gòu)高性能DSP多軸運動控制系統(tǒng)技術(shù) 多軸運動控制系統(tǒng)由運動控制器與伺服驅(qū)動器組成，降低整體系統(tǒng)運動控制的路徑誤差及伺服軸的跟隨誤差。 DSP控制和數(shù)據(jù)通信，多軸伺服單元、IO子系統(tǒng)以及中央處理系統(tǒng)集成為獨立的高性能多軸運動控制器。 多軸控制指令集合在一個中斷周期內(nèi)完成，克服了傳統(tǒng)的多片單片機的并行結(jié)構(gòu)的同步控制瓶頸。 DSP控制+現(xiàn)場可編程門陣列，

13、可在線設(shè)置和重構(gòu)，軟件升級硬件。 基于TCP/IP安全通信協(xié)議，更安全可靠、傳輸效率更高。6. 現(xiàn)場總線（CAN/SERCOS/）運動控制技術(shù)支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)?；诂F(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化交流伺服體系結(jié)構(gòu)的核心部分是帶有現(xiàn)場總線接口的多軸管理器、全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器。 SERCOS現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)英國trio(翠歐)多軸運動控制器 具有RS232、RS485、USB、Ethernet、CANBus、SERCOS的通訊功能和具有HostLink、DeviceNet、ModBus通訊協(xié)議的多軸數(shù)字運動控制器，最多可以控制 24 個軸7. 智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù) 智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

14、的突破點是高精度智能化交流伺服系統(tǒng)的研制，它的智能水平?jīng)Q定了數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，是提高數(shù)控機床加工精度的關(guān)鍵技術(shù)。 自學(xué)習(xí)、自組織、自識別的交流伺服控制器，不依賴于對象模型的智能控制器。 核心采用與PC機體系結(jié)構(gòu)兼容和多機系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)的設(shè)計而形成的開放式系統(tǒng)。課程體系：區(qū)別于電類，針對機類基礎(chǔ)、側(cè)重于應(yīng)用 機電一體化產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的高低，已是當(dāng)今世界衡量一個國家實力和國際地位的重要標(biāo)志。高等學(xué)校應(yīng)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強、素質(zhì)高，具有創(chuàng)新精神和實踐能力的“機電復(fù)合型”人才，使學(xué)生掌握機、電、液、計算機等綜合控制系統(tǒng)的技術(shù)。1.4 課程內(nèi)容安排、學(xué)習(xí)方法 電類電機與運動控制系統(tǒng)微機原理及接口、工程控制基礎(chǔ)、機電傳動控制交流伺服運動控制系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)1 緒論(2學(xué)時)2 伺服運動控制系統(tǒng)檢測技術(shù)及元件(2學(xué)時)3 交流伺服運動控制系統(tǒng)模型及仿真分析(10學(xué)時)5 基于PC運動控制板卡的交流伺服運動控制系統(tǒng)(2學(xué)時)6 基于CANbus現(xiàn)場總線的交流伺服運動控制系統(tǒng)(2學(xué)時)7 基于DSP技術(shù)的交流伺服運動控制系統(tǒng)(3學(xué)時)8 交流伺服運動控制系統(tǒng)的典型案例分析 (1學(xué)時)9 復(fù)習(xí)(2學(xué)時)原理( 電機學(xué)、控制理論)技術(shù)（電力電子、計算機及通信技術(shù)）產(chǎn)品應(yīng)用方案1 課程的內(nèi)容安排教程： 舒志兵 交流伺服運動控制系統(tǒng) 清華大學(xué)出版社 參考資料： 爾桂花、竇日軒 運動控