固高运动控制技术基础

《固高运动控制技术基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固高运动控制技术基础（72页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、固高科技有限公司运动控制技术系列讲座http:/运动控制技术基础固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统概述n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。应的动作。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成运动控制系统的典型构成 n开环控制系统（Open Loopn电机：步进电机n驱动器：脉冲

2、分配，电流放大n运动控制器：运动规划，位置脉冲指令n上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令应用程序指令运动指令运动指令 负载负载传动机构传动机构 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成运动控制系统的典型构成（续（续1）n开环控制系统（Open Loop）n电机电机：（直流：（直流伺服电机伺服电机）、）、交流伺服电机交流伺服电机n驱动器：电流放大，位置反馈控制驱动器：电流放大，位置反馈控制n运动控制器：运动规划，位置脉冲指令运动控制器：运动规划，位置脉冲指令n上位计算机：运动代码生成，应用程序，人

3、机界上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面面驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令应用程序指令运动指令运动指令 负载负载反馈元件反馈元件传动机构传动机构 位置反馈固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成运动控制系统的典型构成（续（续2）n闭环控制系统（Close Loop）n电机：直流伺服电机、交流伺服电机电机：直流伺服电机、交流伺服电机n驱动器：速度反馈控制，电流放大驱动器：速度反馈控制，电流放大n运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自电机轴运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自电机轴n上位计算机：运动代码生成，应用程序

4、，人机界面上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面反馈元件反馈元件驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令应用程序指令运动指令运动指令 负载负载传动机构传动机构 位置反馈速度反馈固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成运动控制系统的典型构成（续（续3）n闭环控制系统（Close Loop）n电机：直流伺服电机、交流伺服电机电机：直流伺服电机、交流伺服电机n驱动器：速度反馈控制，电流放大驱动器：速度反馈控制，电流放大n运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载n上位计算机：运动代码生成，

5、应用程序，人机界面上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令应用程序指令运动指令运动指令 负载负载反馈元件反馈元件传动机构传动机构 位置反馈速度反馈固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成运动控制系统的典型构成（续（续4）n闭环控制系统（Close Loop）n电机：直线电机电机：直线电机n驱动器：速度反馈控制，电流放大驱动器：速度反馈控制，电流放大n运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载n上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面上位计算机

6、：运动代码生成，应用程序，人机界面反馈元件反馈元件驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令应用程序指令运动指令运动指令 负载负载位置反馈速度反馈固高科技有限公司运动控制技术系列讲座闭环控制的几种形式固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的构成部件运动控制系统的构成部件n上位计算机：PC机n运动控制器n专用运动控制器n开放式结构运动控制器n驱动器：全数字式驱动器n电机n步进电机n伺服电机：直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机n反馈元件n位置反馈元件：角度、位移n速度反馈元件n传动机构：齿型带；减速器；齿轮齿条；滚珠丝杠。固高科技有限公司运动控制技术系列

7、讲座电机控制基本知识电机控制基本知识n常见的控制电机常见的控制电机n 步进电机步进电机n永磁式：两相（永磁式：两相（7.5度）度）n反应式：三相（反应式：三相（1.5度）度）n混合式：两相（混合式：两相（1.8度）或五相（度）或五相（0.72度）度）n 伺服电机伺服电机n直流伺服电机直流伺服电机n交流伺服电机交流伺服电机n直线电机直线电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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。为角位移的机电执行元件。单极与双极连线模式单极模式单极模式双极模式双极模式固高科技有限公司运动控制技术系列讲座

8、步进电机的工作原理(续1）n当步进电机的一相绕组（当步进电机的一相绕组（A相）通电时，产生力矩使相）通电时，产生力矩使电机转动至位置电机转动至位置P（通常叫（通常叫一个步距角），当另一相一个步距角），当另一相（B相）绕组通电时，电机相）绕组通电时，电机转动至转动至Q点点TorqueAngleIA=1IB=1PQFigure:Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motors stator creating torque which

9、 turns the rotor.固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续2）n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AngleIBIA7.2015.4-103.60-11.810001IA=1IB=101.8TorquePosition3.65.4通常每一步为1.8，下图表示了整步运行的情况RIA=1IB=1PQTorqueAngleIA=-1S固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续3）n单极整步运行图n双极整步运行图固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续4）n半步运行模式:A相通 P点B相通 Q点A

10、、B相同时通 H点IA=1IB=1BothPHQ7.2016.3-115.4-104.5-1-13.60-12.71-11.8100.911001Angle(deg)IBIA固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续5）单极半步运行双极半步运行固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续6）n微步运行模式细分运行模式n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IA=1IB=1PGQ固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的控制运动控制运动控制器器脉冲脉冲方向方向驱动器驱动器步进步进电机电机运动控制器：产生脉冲和方向信号驱动器：脉冲环行分配、电流放大固高

11、科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的优点n低成本低成本n控制简单，能直接实现数字控制控制简单，能直接实现数字控制n开环控制，位移与脉冲数成正比，速度与脉开环控制，位移与脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比冲频率成正比n结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用n抗干扰能力强抗干扰能力强n无累积定位误差（无累积定位误差（一般步进电机的精度为步一般步进电机的精度为步进角的进角的3-5%，且不累积，且不累积）固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的缺点n单步响应中有较大的超调量和振荡单步响应中有较大的超调量和振荡n承受惯性负载能力差，仅适用于负载惯量与电机转子承受

12、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低的运行情况（惯量比小于（惯量比小于3）n转速不够平稳，粗糙的低速特性转速不够平稳，粗糙的低速特性n不适合于高速运行不适合于高速运行n自振效应自振效应n 高速时损耗较大高速时损耗较大 n 低效率，电机过热（机壳可达低效率，电机过热（机壳可达90）n 噪音大，特别在高速运行时噪音大，特别在高速运行时 n 当出现滞后或超前振荡时，几乎无法消除当出现滞后或超前振荡时，几乎无法消除 n 可选择的电机尺寸有限可选择的电机尺寸有限，输出功率较小，输出功率较小n 位置精度较低位置精度较低 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流伺服电机工作原

13、理 通电线圈与磁场的相互作用产生了伺服电机的转矩固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流伺服电机工作原理（续1）定子：磁场定子：磁场永磁体永磁体转子：电枢绕组转子：电枢绕组换向：换向器与碳刷换向：换向器与碳刷 n加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，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。定的方向连续旋转。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流伺服电机工作

14、原理（续2）n转矩方向与电流方向的关系转矩方向与电流方向的关系Torque Current为确保直流电动机朝确为确保直流电动机朝确定的方向连续旋转，通定的方向连续旋转，通过线圈的电流方向是交过线圈的电流方向是交变的。变的。转矩随 变化曲线图，为线圈与磁力线的夹角。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流电机驱动n驱动器n电源放大器n通常接受的模拟电压信号n可工作在速度模式或电流模式n线性放大器，开关型放大器（方式）TM电压电压命令命令电流反馈电流反馈速度放大器速度放大器电机电机速度反馈速度反馈电流放大器电

15、流放大器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流伺服电机的控制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），电流放大驱动器驱动器运动控制器运动控制器电机电机运动指令运动指令 负载负载反馈元件反馈元件固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流伺服电机的优缺点n优点优点:n精确的速度控制精确的速度控制n转矩速度特性很硬转矩速度特性很硬n原理简单、使用方便原理简单、使用方便n价格优势价格优势n缺点缺点:n电刷换向电刷换向n速度限制速度限制n附加阻力附加阻力n产生磨损微粒产生磨损微粒(对于无尘室对于无尘室)n解决方案解决方案：无刷电子换向电机：无刷电

16、子换向电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-528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CIBIAIC2B2B1C1A1B1C2B2C1A2NSA1A2固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服电机结构示意图固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-530交流伺服电机工作原理（续）n电子换相（VS电刷换向）n磁极位置检测固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-531霍尔传感器将3个霍尔传

17、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。H1H2H3States101 100 110 010 011 001固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-532如何放置霍尔传感器？假设转矩曲线为梯形曲线H1H2H3CurrentTorque固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-533三相电流和力矩的关系 TaIaTbIbTcIc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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座202

18、2-8-534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。T1T3T5T2T4T6IAIBIC+VSH1H2H3States101 100 110 010 011 001固高科技有限公司运动控制技术系列讲座驱动器（放大器）工作原理（续）固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-536伺服放大器结构框图固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-537电流PWM控制 n脉宽调制技术（三角波、正弦波）n非低噪音模式固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-538电流PWM控制（续）n低噪音模式固高

19、科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-539电流输出 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座几种交流伺服电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座电子换向n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n利用上述原理控制的电机称为直流无刷电机n交流伺服电机是直流无刷电机n无位置传感器原理：电机每转一周，每一相的无位置传感器原理：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，因此可以得到势过零时刻有固定的对应关系，因此可以得到换流时刻

20、。换流时刻。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服驱动器的换向 Drive with Hall sensor,Encoder or Resolver for commutation and Feedback:固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服驱动器的换向（续1）Drive with Commutating Encoder:固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服驱动器的换向（续2）nDrive with Resolver:固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服电机的控制运动控制运动控制器器位置反馈位置反馈驱动器驱动器交流交流伺服伺服电机电机运动控制器：产生速度控制信号

21、驱动器：速度反馈控制，电子换向速度指令速度指令速度反馈与换速度反馈与换向信号向信号光电编码器光电编码器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服电机的优点n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。n高效率，90%以上，不发热n高速控制n高精确位置控制（取决于何种编码器）n额定运行区域内，实现恒力矩n低噪音n没有电刷的磨损，免维护n不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境n惯量低 n价格具有竞争性固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服电机的缺点n控制较复杂n驱动器参数需要现场调整nPID参数整定n需要更多的连线固高科技有限公司运动控制技术系列讲座驱动器n步进

22、电机驱动器（步进电机驱动器（Indexer）n 接受脉冲信号控制绕组电流；环形分配接受脉冲信号控制绕组电流；环形分配器器n伺服电机驱动器伺服电机驱动器n模拟式：模拟式：通常可控制电机的速度和力矩通常可控制电机的速度和力矩n数字式：数字式：可控制电机的速度和力矩；也可直可控制电机的速度和力矩；也可直接控制电机的位置接控制电机的位置固高科技有限公司运动控制技术系列讲座模拟伺服驱动器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座数字伺服驱动器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统中的反馈检测元件n光电式位置检测元件光电式位置检测元件n旋转式光电编码器旋转式光电编码器（电机位置、速度和（电机位置、速度

23、和换相信号）换相信号）n光栅尺（负载位置）光栅尺（负载位置）固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统中的反馈检测元件（续）n霍尔传感器（霍尔传感器（Hall Effect Sensor）n 产生电机换相信号产生电机换相信号n测速发电机测速发电机（Tachometer）n产生电机速度信号产生电机速度信号n旋转变压器旋转变压器（Resolver）n产生电机位置信号产生电机位置信号固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-553编码器分类与功能 n分类n直线位移式(光栅尺）VS 旋转式编码器n绝对式 VS 增量式n功能n电机转子位置检测n电机速度检测n电机转子磁极位置检测(a)Rot

24、ary Incremental Optical Encoder固高科技有限公司运动控制技术系列讲座编码系统 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HTLTTL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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座方波信号增量编码器光电元件刻度盘扫描标线聚光器光源(LED)典型情

25、况下，电机每旋转一周，编码器产生1,024个周期脉冲轨迹 A轨迹 B零位标记=参考位置标记轨迹 A轨迹 B边沿检测=4倍脉冲固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-556编码器信号种类 A A、B B、Z Z相信号，相信号，A A、B B相为正交信号；相为正交信号；单端、差动输出；单端、差动输出；TTLTTL方波、正旋波输出；方波、正旋波输出；固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-557编码器信号接口 n集电极开路输出（OC）n差动输出固高科技有限公司运动控制技术系列讲座Sin/Cos光电编码器，Vpp=1V光电元件刻度盘扫描标线光源(LED)模拟信号(Vpp=1V)经过

26、 A/D 转换成高分辨率数字信号典型分辨率：2,048 脉冲每正弦周期典型分辨率：4,000,000个脉冲每周期电机每旋转一周，编码器产生2,048个周期的sin/cos信号脉冲正弦轨迹余弦轨迹聚光器零位标记=参考位置标记1 V固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2022-8-559绝对位置编码器 n上电读取绝对位置n工作时按增量式编码器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座使用增量信号的绝对值编码器 单圈绝对值编码器单圈绝对值编码器聚光器光源 扫描标线光电元件刻度盘霍尔元件变速箱旋转编码器 增量轨迹对一个具有8192个位置的机械旋转进行二进制编码16:116:1分辨率:256 倍分辨率:4,0

27、96 倍 多圈绝对值编码器多圈绝对值编码器电机转速16:1分辨率:16 倍固高科技有限公司运动控制技术系列讲座两极旋转变压器1 机械周期包络线旋转变压器取出正弦信号取出余弦信号输入载波频率2-10 kHz模拟信号(Vpp=1V)经过 A/D 转换成高分辨率数字信号典型分辨率：4,096 脉冲每正弦周期典型分辨率4,096脉冲每周期脉冲每周期固高科技有限公司运动控制技术系列讲座最常用的机械传输方式n旋转到旋转的转换n齿型带n带有螺旋轮和平行轴的减速器n摆线及外摆线转减速器n谐波驱动n正切丝杠减速器或格立森(Gleason)齿轮。n旋转到直线运动的转换n齿型带n齿轮齿条n金属带n滚珠丝杠固高科技有

28、限公司运动控制技术系列讲座各种传动方式的比较n齿型带：价格便宜、反应慢，应用于控制带宽窄的场合n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n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n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n齿轮齿条：传动行程长、但反向间隙较大，非线性因素，易引起系统振荡固高科技有限公司运动控制技术系列讲座各种传动方式的比较（续）n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n总的说来，直线电机是高性能直线运动的

29、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.固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直线电机同其他传动方式比较n滚珠丝杠、齿行带和直线电机FeaturesBall Screw ActuatorsTiming Belt ActuatorsLinear Motor ActuatorsSpeedMax 1.5 m/sMax 3.5 m/sMax 5 m/sMotorRotary S

30、ervo MotorRotary Servo MotorLinear Servo MotorBacklash350 um10100 umZero backlashServo Feedback /AccuracyRotary encoderRotary encoderLinear encoder(actual position)Drive Design(mechanical)ComplicatedComplicatedSimple designMaintenanceHighBelt tensioning required periodicallyLeast SmoothnessNoisy whe

31、n moving fastNoisySmooth motion固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直线电机的发展n工作原理：交流伺服电机的电子和转子都展开，电子换向n高速传动器件的发展固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直线电机的优缺点n优点n高速，5米/秒n高精度（限制于反馈元件）n快速响应（100倍于机械传动）n刚性（决定于控制器）n零间隙n免维护n缺点n成本昂贵n需要很高带宽的驱动和控制n力矩体积比小n发热与散热n无摩擦，高速时的制动较难固高科技有限公司运动控制技术系列讲座典型的铁芯结构的直线电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座无铁芯结构直线电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座典

32、型的无槽设计的直线电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座几种直线电机选择n对前述直流电机特性的比较AttributeIronCoreAirCoreSlotlessCostLowHighLowestAttractive ForceHighestNoneModerateCoggingHighestNoneModerateForce/SizeBestModerateGoodThermal CharacteristicsBestWorstGoodForcer WeightHeaviestLightestModerateForcer StrengthBestWorstGood固高科技有限公司运动控制技术系列讲座方波信号增量编码器:两种应用方式1.实际速度测量2.实际位置测量电流控制器功率部分M标准异步电机实际电流值测量-IactIset速度控制器实际速度值-nactnsetEE电流控制器功率部分M集成了编码器或转速计的伺服电机实际电流值测量-IactIset速度控制器-nactnset位置控制器-xactxsetE实际速度值实际位置