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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,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,交流伺服电机结构示意图,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,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。,32,如何放置霍尔传感器？,假设转矩曲线为梯形曲线,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。,34,驱动器（放大器）工作原理,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）,36,伺服放大器结构框图,37,电流PWM控制,脉宽调制技术（三角波、正弦波）非低噪音模式,38,电流PWM控制（续）,低噪音模式,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,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 Encoder,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,EnDatSSIPROFIBUS,EnDatSSIPROFIBUS,EnDatSSI,EnDatSSI,方波信号增量编码器,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；,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,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 drives,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,
