固高運動控制技術基礎ppt課件.ppt

1、運動控制技術基礎,1,運動控制系統(tǒng)概述,什么是運動控制？ 簡單地講，運動控制就是通過機械傳動裝置對運動部件的位置、速度進行實時的控制管理，使運動部件按照預期的軌跡和規(guī)定的運動參數（如速度、加速度參數等）完成相應的動作。,2,運動控制系統(tǒng)的典型構成,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop 電機：步進電機 驅動器：脈沖分配，電流放大 運動控制器：運動規(guī)劃，位置脈沖指令 上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面,3,運動控制系統(tǒng)的典型構成（續(xù)1）,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop） 電機：（直流伺服電機）、交流伺服電機 驅動器：電流放大，位置反饋控制 運動控制器：運動規(guī)劃，位置脈沖指令 上位計算機：運

2、動代碼生成，應用程序，人機界面,傳動機構,位置反饋,4,運動控制系統(tǒng)的典型構成（續(xù)2）,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機：直流伺服電機、交流伺服電機 驅動器：速度反饋控制，電流放大 運動控制器：運動規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自電機軸 上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面,5,運動控制系統(tǒng)的典型構成（續(xù)3）,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機：直流伺服電機、交流伺服電機 驅動器：速度反饋控制，電流放大 運動控制器：運動規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自負載 上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面,6,運動控制系統(tǒng)的典型構成（續(xù)4）,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop）

3、電機：直線電機 驅動器：速度反饋控制，電流放大 運動控制器：運動規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自負載 上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面,7,閉環(huán)控制的幾種形式,8,運動控制系統(tǒng)的構成部件,上位計算機：PC機 運動控制器 專用運動控制器 開放式結構運動控制器 驅動器：全數字式驅動器 電機 步進電機 伺服電機：直流伺服電機、交流伺服電機、直線電機 反饋元件 位置反饋元件：角度、位移 速度反饋元件 傳動機構：齒型帶；減速器；齒輪齒條；滾珠絲杠。,9,電機控制基本知識,常見的控制電機 步進電機 永磁式：兩相（7.5度） 反應式：三相（1.5度） 混合式：兩相（1.8度）或五相（0.72度） 伺

4、服電機 直流伺服電機 交流伺服電機 直線電機,10,步進電機的工作原理,步進電機是一種將數字式電脈沖信號轉換為角位移的機電執(zhí)行元件。,單極與雙極連線模式,11,步進電機的工作原理(續(xù)1）,當步進電機的一相繞組（A相）通電時，產生力矩使電機轉動至位置P（通常叫一個步距角），當另一相（B相）繞組通電時，電機轉動至Q點,Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motors stator creating torque w

5、hich turns the rotor.,12,步進電機的工作原理(續(xù)2）,當A相繞組反相通電時，電機轉到R點，當B相繞組反相通電時，電機轉動至S點,13,步進電機的工作原理(續(xù)3）,單極整步運行圖 雙極整步運行圖,14,步進電機的工作原理(續(xù)4）,半步運行模式:,A相通 P點 B相通 Q點 A、B相同時通 H點,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,IA,15,步進電機的工作原理(續(xù)5）,單極半步運行,雙極半步運行,16,步進電機的工作原理(續(xù)6）

6、,微步運行模式細分運行模式 電機旋轉的位置隨A相和B相繞組中的電流的比例而變化,17,步進電機的控制,18,步進電機的優(yōu)點,低成本 控制簡單，能直接實現數字控制 開環(huán)控制，位移與脈沖數成正比，速度與脈沖頻率成正比 結構簡單，無換向器和電刷，堅固耐用 抗干擾能力強 無累積定位誤差（一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積 ）,19,步進電機的缺點,單步響應中有較大的超調量和振蕩 承受慣性負載能力差，僅適用于負載慣量與電機轉子慣量比低的運行情況 （慣量比小于3） 轉速不夠平穩(wěn)，粗糙的低速特性 不適合于高速運行 自振效應 高速時損耗較大 低效率，電機過熱（機殼可達90） 噪音大，特別在高速運行

7、時 當出現滯后或超前振蕩時，幾乎無法消除 可選擇的電機尺寸有限 ，輸出功率較小 位置精度較低,20,直流伺服電機工作原理,通電線圈與磁場的相互作用產生了伺服電機的轉矩,21,直流伺服電機工作原理（續(xù)1）,定子：磁場永磁體 轉子：電樞繞組 換向：換向器與碳刷,加于直流電機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電動朝確定的方向連續(xù)旋轉。,22,直流伺服電機工作原理（續(xù)2）,轉矩方向與電流方向的關系,為確保直流電動機朝確定的方向連續(xù)旋轉，通過線圈的電流方向是交變的。,轉矩隨 q變化曲線圖，q為線圈與磁力線的夾

8、角。,23,直流電動機的換向,電流的換向是由電刷和換向器共同完成的。,24,直流電機驅動,驅動器 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，開關型放大器（方式）,25,直流伺服電機的控制,運動控制器：速度指令，位置反饋取自電機軸 驅動器：速度反饋控制（或許電流反饋控制），電流放大,26,直流伺服電機的優(yōu)缺點,優(yōu)點: 精確的速度控制 轉矩速度特性很硬 原理簡單、使用方便 價格優(yōu)勢 缺點: 電刷換向 速度限制 附加阻力 產生磨損微粒(對于無塵室) 解決方案：無刷電子換向電機,27,2020/7/30,28,交流伺服電機無刷電機,改變電機的結構 磁極作轉子，線圈作定

9、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子的磁場 通常的結構： 三相電機 三個霍爾傳感器,交流伺服電機結構示意圖,29,2020/7/30,30,交流伺服電機工作原理（續(xù)）,電子換相（VS電刷換向） 磁極位置檢測,2020/7/30,31,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）均布在電機一端。,2020/7/30,32,如何放置霍爾傳感器？,假設轉矩曲線為梯形曲線,2020/7/30,33,三相電流和力矩的關系,每一相有三個階段: 正向電流 1/3 時間 負向電流 1/3 時間 沒有電流 1/3

10、 時間 在三相中，總是： 一相正向電流 一相負向電流 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。,2020/7/30,34,驅動器（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）晶體管導通, 同時一個下邊的（偶）晶體管導通。,驅動器（放大器）工作原理（續(xù)）,35,2020/7/30,36,伺服放大器結構框圖,2020/7/30,37,電流PWM控制,脈寬調制技術（三角波、正弦波） 非低噪音模式,2020/7/30,38,電流PWM控制（續(xù)）,低噪音模式,2020/7/30,39,電流輸出,幾種交流伺服電機,40,電子換向,利用霍爾元件檢測到轉子磁場

11、變化，并給出正確的狀態(tài)來接通（或關斷）相應的繞組電流，6種狀態(tài)完成一次轉化，對應轉子轉過一對磁極 利用上述原理控制的電機稱為直流無刷電機 交流伺服電機是直流無刷電機 無位置傳感器原理：電機每轉一周，每一相的反電動勢過零兩次，而電機換流時刻與反電動勢過零時刻有固定的對應關系，因此可以得到換流時刻。,41,交流伺服驅動器的換向,Drive with Hall sensor, Encoder or Resolver for commutation and Feedback:,42,交流伺服驅動器的換向 （續(xù)1）,Drive with Commutating Encoder:,43,交流伺服驅動器的換

12、向 （續(xù)2）,Drive with Resolver:,44,交流伺服電機的控制,運動控制器,位置反饋,驅動器,交流伺服電機,運動控制器：產生速度控制信號 驅動器：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,交流伺服電機的優(yōu)點,良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內可實現平滑控制，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） 額定運行區(qū)域內，實現恒力矩 低噪音 沒有電刷的磨損，免維護 不產生磨損顆粒、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,交流伺服電機的缺點,控制較復雜 驅動器參數需要現場調整 PID參數

13、整定 需要更多的連線,47,驅動器,步進電機驅動器（Indexer） 接受脈沖信號控制繞組電流；環(huán)形分配器 伺服電機驅動器 模擬式：通?？煽刂齐姍C的速度和力矩 數字式：可控制電機的速度和力矩；也可直接控制電機的位置,48,模擬伺服驅動器,49,數字伺服驅動器,50,運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件,光電式位置檢測元件 旋轉式光電編碼器（電機位置、速度和換相信號） 光柵尺（負載位置）,51,運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件（續(xù)）,霍爾傳感器（Hall Effect Sensor） 產生電機換相信號 測速發(fā)電機 （Tachometer） 產生電機速度信號 旋轉變壓器 （Resolver） 產生電機位置信號

14、,52,2020/7/30,53,編碼器分類與功能,分類 直線位移式(光柵尺）VS 旋轉式編碼器 絕對式 VS 增量式 功能 電機轉子位置檢測 電機速度檢測 電機轉子磁極位置檢測,(a) Rotary Incremental Optical Encoder,編碼系統(tǒng) 檢測實際速度值和/或實際位置,旋轉式編碼系統(tǒng),絕對值編碼器,增量編碼器,旋轉變壓器,sin/cos 光信號,方波脈沖 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

15、SSI PROFIBUS,EnDat SSI PROFIBUS,EnDat SSI,EnDat SSI,54,方波信號增量編碼器,55,2020/7/30,56,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；,2020/7/30,57,編碼器信號接口,集電極開路輸出（OC） 差動輸出,Sin/Cos光電編碼器， Vpp = 1V,58,2020/7/30,59,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,使用增量信號的絕對值編碼器,60,兩極旋轉變壓器,61,最常用的機械傳輸方式,旋轉到旋轉的轉換 齒型帶 帶有螺旋輪和平行軸的減速

16、器 擺線及外擺線轉減速器 諧波驅動 正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。 旋轉到直線運動的轉換 齒型帶 齒輪齒條 金屬帶 滾珠絲杠,62,各種傳動方式的比較,齒型帶：價格便宜、反應慢，應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 正切絲杠減速器：應用場合有限，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,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選型和系統(tǒng)控制帶寬 總的說來，直線電機是高性能直線運動的最佳控制方式,Backlash is caused by space of play between contacting surfaces in ball screws, gears, belt drives, and other linear motion devices.,64,直線電機同其他傳動方式比較,滾珠絲杠、齒行帶和直線電機,65,直線電機的發(fā)展