1、运动控制技术基础,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。,运动控制系统的典型构成,开环控制系统（Open Loop 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,运动控制系统的典型构成（续1）,开环控制系统（Open Loop） 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
2、用程序，人机界面,传动机构,位置反馈,运动控制系统的典型构成（续2）,闭环控制系统（Close Loop） 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,运动控制系统的典型构成（续3）,闭环控制系统（Close Loop） 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,运动控制系统的典型构成（续4）,闭环控制系统（Close Loop） 电机：直线电机 驱动器：速
3、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,闭环控制的几种形式,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。,电机控制基本知识,常见的控制电机步进电机 永磁式：两相（7.5度） 反应式：三相（1.5度） 混合式：两相（1.8度）或五相（0.72度）伺服电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电
4、机,步进电机的工作原理,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。,单极与双极连线模式,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,Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motors stator creating torque which turns the rotor.,步进电机的
5、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,步进电机的工作原理(续3）,单极整步运行图双极整步运行图,步进电机的工作原理(续4）,半步运行模式:,A相通 P点 B相通 Q点 A、B相同时通 H点,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,步进电机的工作原理(续5）,单极半步运行,双极半步运行,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,步进电
6、机的控制,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 ）,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,直流伺服电机工
7、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,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。,直流伺服电机工作原理（续2）,转矩方向与电流方向的关系,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 q变化曲线图，q为线圈与磁力线的夹角。,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。,直流电机驱动,驱动器 电源放大器 通常接受的模拟电压信号 可工
8、作在速度模式或电流模式 线性放大器，开关型放大器（方式）,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,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：无刷电子换向电机,2018/10/1,28,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,
9、交流伺服电机结构示意图,2018/10/1,30,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,2018/10/1,31,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。,2018/10/1,32,如何放置霍尔传感器？,假设转矩曲线为梯形曲线,2018/10/1,33,三相电流和力矩的关系,每一相有三个阶段: 正向电流 1/3 时间 负向电流 1/3 时间 没有电流 1/3 时间 在三相中，总是： 一相正向电流 一相负向电流 一相没有电流 由此可见，电流总是接通一相的同时断开另一相。,2018/10/1,34,驱动器（放大器）工作原理
10、,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。,驱动器（放大器）工作原理（续）,2018/10/1,36,伺服放大器结构框图,2018/10/1,37,电流PWM控制,脉宽调制技术（三角波、正弦波） 非低噪音模式,2018/10/1,38,电流PWM控制（续）,低噪音模式,2018/10/1,39,电流输出,几种交流伺服电机,电子换向,利用霍尔元件检测到转子磁场变化，并给出正确的状态来接通（或关断）相应的绕组电流，6种状态完成一次转化，对应转子转过一对磁极 利用上述原理控制的电机称为直流无刷电机 交流伺服电机是直流无刷电机 无位置传感器
11、原理：电机每转一周，每一相的反电动势过零两次，而电机换流时刻与反电动势过零时刻有固定的对应关系，因此可以得到换流时刻。,交流伺服驱动器的换向,Drive with Hall sensor, Encoder or Resolver for commutation and Feedback:,交流伺服驱动器的换向 （续1）,Drive with Commutating Encoder:,交流伺服驱动器的换向 （续2）,Drive with Resolver:,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
12、反馈与换向信号,光电编码器,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,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,驱动器,步进电机驱动器（Indexer）接受脉冲信号控制绕组电流；环形分配器 伺服电机驱动器 模拟式：通常可控制电机的速度和力矩 数字式：可控制电机的速度和力矩；也可直接控制电机的位置,模拟伺
13、服驱动器,数字伺服驱动器,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）,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,2018/10/1,53,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 Encode
14、r,编码系统 检测实际速度值和/或实际位置,旋转式编码系统,绝对值编码器,增量编码器,旋转变压器,sin/cos 光信号,方波脉冲 编码器,两极,多极,HTL,TTL,绝对值编码器基于可选 组件sin/cos光电编码器 和减速箱单元 单个绝对值编码器基于 32极旋转变压器和减速箱单元,单圈,多圈,单圈,多圈,无增量信号,有增量信号,EnDat SSI PROFIBUS,EnDat SSI PROFIBUS,EnDat SSI,EnDat SSI,方波信号增量编码器,2018/10/1,56,编码器信号种类,A、B、Z相信号，A、B相为正交信号；单端、差动输出；TTL方波、正旋波输出；,2018
15、/10/1,57,编码器信号接口,集电极开路输出（OC） 差动输出,Sin/Cos光电编码器， Vpp = 1V,2018/10/1,59,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,使用增量信号的绝对值编码器,两极旋转变压器,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 谐波驱动 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,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 谐波齿轮减速
16、箱：体积小、传动比大、齿隙小，但价格较贵，刚性不高 正切丝杠减速器：应用场合有限，不是合低速时使用，润滑要求高、效率低 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,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 dr
17、ives, and other linear motion devices.,直线电机同其他传动方式比较,滚珠丝杠、齿行带和直线电机,直线电机的发展,工作原理：交流伺服电机的电子和转子都展开，电子换向 高速传动器件的发展,直线电机的优缺点,优点 高速，5米/秒 高精度（限制于反馈元件） 快速响应（100倍于机械传动） 刚性（决定于控制器） 零间隙 免维护 缺点 成本昂贵 需要很高带宽的驱动和控制 力矩体积比小 发热与散热 无摩擦，高速时的制动较难,典型的铁芯结构的直线电机,无铁芯结构直线电机,典型的无槽设计的直线电机,几种直线电机选择,对前述直流电机特性的比较,方波信号增量编码器:两种应用方式,实际速度测量2. 实际位置测量,
