高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及綜合運(yùn)用課件

1、高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)-關(guān)鍵技術(shù)及綜合運(yùn)用 北京慧摩森電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司慧摩森公司簡介（一）北京慧摩森電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司是以開發(fā)生產(chǎn)高精度運(yùn)動定位系統(tǒng)為主的高新技術(shù)企業(yè)，所研發(fā)產(chǎn)品集成光機(jī)電一體化技術(shù)，采用的技術(shù)和產(chǎn)品精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前直線電機(jī)在運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，我公司所生產(chǎn)的SM系列直線電機(jī)性能穩(wěn)定，質(zhì)量好，與PWM的驅(qū)動控制器及直線光柵編碼器組成伺服運(yùn)動系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絲杠和皮帶傳動結(jié)構(gòu)形式，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能。 公司自主研制的0.1微米級精密運(yùn)動平臺及集成控制系統(tǒng)是微電子制造和測試設(shè)備的核心部件，也是生物醫(yī)療設(shè)備和精密制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵部件，這些產(chǎn)品在

2、以上領(lǐng)域的應(yīng)用可以極大提高我國的制造水平，縮小和先進(jìn)國家的差距。公司簡介（二） 此外公司還與秦皇島海納科技公司合作研發(fā)了國內(nèi)首款可驅(qū)動直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的通用型伺服驅(qū)動器。該驅(qū)動器具有高階軌跡生成、支持用戶編程等高端功能，產(chǎn)品性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，可廣泛用于高精密運(yùn)動控制系統(tǒng)的驅(qū)動和控制。 公司還代理銷售MicroE、SIKO、ELMO等多家國外知名品牌的光柵、磁柵、驅(qū)動器、控制器等產(chǎn)品，并為客戶提供技術(shù)支持和伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)集成。運(yùn)動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)/電機(jī)被控對象反饋傳感器運(yùn)動控制平臺/運(yùn)動控制卡功率放大器/驅(qū)動器人機(jī)接口/高層指令生成運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求及

3、所涉及關(guān)鍵技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的情況下,產(chǎn)生最快最平穩(wěn)的時(shí)間軌跡.這就需要在下列系統(tǒng)限制的情況下確定算法: 機(jī)械機(jī)構(gòu)的固有頻率,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間,伺服系統(tǒng)通帶寬度, 電機(jī)功率, 驅(qū)動器功率,傳感器響應(yīng)及限制電源電壓,.同時(shí)算法的復(fù)雜性還要受到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和計(jì)算機(jī)的速度的制約。通常在理想時(shí)間軌跡之外,還需加入補(bǔ)償控制,以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的快速性及平穩(wěn)性。高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)涉及：運(yùn)動控制、伺服控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇、裝配工藝以及系統(tǒng)的保護(hù)等諸多方面的技術(shù)。要求：關(guān)鍵技術(shù)：運(yùn)動控制中的關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)動控制產(chǎn)生相對于時(shí)間的空間軌跡,以及直接實(shí)現(xiàn)各機(jī)械模塊之間的同步控制, 例如:電子齒輪變速(無級變速

4、)各種平面曲線,圓,橢圓, y(t) = f(x(t)各種空間曲線, z(t) = f(x(t), y(t)運(yùn)動插補(bǔ)高階運(yùn)動軌跡生成運(yùn)動控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與自調(diào)整工業(yè)現(xiàn)場的高速網(wǎng)絡(luò)化通訊 運(yùn)動控制的主要技術(shù)指標(biāo)可產(chǎn)生的運(yùn)動軌跡的種類(直線,圓,弧線,任意曲線)軌跡相對時(shí)間的階次最高速度,最高加速度位置,速度精度可同時(shí)控制運(yùn)動軸數(shù)(4 軸,8,軸,)運(yùn)動軸之間的同步伺服軸的數(shù)目伺服控制中的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與系統(tǒng)辯識振動分析與抑振技術(shù)魯棒控制技術(shù)自適應(yīng)控制自學(xué)習(xí)與自調(diào)整模糊訓(xùn)練伺服控制：運(yùn)動控制在于如何產(chǎn)生運(yùn)動控制指令(算法),而伺服控制在于如何讓機(jī)電系統(tǒng)快速，準(zhǔn)確地跟蹤運(yùn)動控制指令伺服驅(qū)動器的主要

5、性能指標(biāo)工作電壓輸出電流工作效率伺服控制算法閉環(huán)響應(yīng)帶寬動/靜態(tài)精度控制剛度穩(wěn)態(tài)時(shí)間分辨率采樣時(shí)間/控制頻率各種保護(hù)功能過壓保護(hù)/欠壓報(bào)警、短路保護(hù)、最大電流持續(xù)時(shí)間、連續(xù)/RMS電流保護(hù)、過溫保護(hù)、停機(jī)保護(hù)、失控保護(hù)(電流反灌保護(hù))執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)/電機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)動連接及動力傳輸動力學(xué)分析與仿真結(jié)構(gòu)與振動分析直線電機(jī)的興起及應(yīng)用 執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)及完成運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要目的是提高系統(tǒng)剛性、抑制系統(tǒng)的低頻共振。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要性能指標(biāo)系統(tǒng)剛度系統(tǒng)共振頻率系統(tǒng)的承載能力系統(tǒng)最大運(yùn)行速度及加速度 裝配工藝中應(yīng)注意的問題設(shè)備的裝配質(zhì)量受到多方面因素的影響

6、，除了技術(shù)、工藝方面的問題以外，還與裝配工人的人為因素有關(guān)，這里我們重點(diǎn)介紹一下位置反饋傳感器的選取與安裝光柵傳感器精度的決定因素光柵尺的精度 線距，或信號周期(每毫米線數(shù)，或每圈線) 光柵尺的熱敏系數(shù)差值技術(shù)信號質(zhì)量頻率響應(yīng)與最高速度旋轉(zhuǎn)編碼器最大速度 = 工作頻率 (Hz) / (每轉(zhuǎn)線數(shù)) *60 RPM線性編碼器最大速度 = 掃描頻率(Hz)*信號周期 (micron) *10e-6 m/sec其中 信號周期 = 測量步距 (micron) * 細(xì)分倍數(shù) * 4 micron安裝要求反映真實(shí)的被測物理變量對電氣及機(jī)械噪聲干擾不敏感可允許的振動與沖擊的工作環(huán)境光柵尺與讀數(shù)頭的安裝剛度光柵

7、傳感器的非運(yùn)動部件的振動隔離傳感器電纜的最小彎曲半徑實(shí)例：編碼器安裝對信號質(zhì)量及精度的影響安裝誤差的影響實(shí)例：編碼器安裝對信號質(zhì)量及精度的影響（續(xù)）信號質(zhì)量對誤差影響運(yùn)動控制系統(tǒng)的保護(hù)硬件級限位傳感器保護(hù)看門狗保護(hù)電源故障保護(hù)過功率保護(hù)驅(qū)動器短路保護(hù)驅(qū)動器過壓/欠壓保護(hù)驅(qū)動器過溫保護(hù)驅(qū)動器RMS電流保護(hù) 軟件級計(jì)算錯誤保護(hù)位置誤差保護(hù)飽和保護(hù)震蕩保護(hù)RMS功率保護(hù)電源故障保護(hù)急停保護(hù)機(jī)械級機(jī)械限位裝置機(jī)械剎車/卡緊裝置機(jī)械防撞裝置 總結(jié)運(yùn)動控制技術(shù)是多學(xué)科復(fù)合技術(shù)：機(jī)械與電子、硬件和軟件、算法和分析運(yùn)動控制應(yīng)用范圍廣：開環(huán)控制或閉環(huán)控制、半閉環(huán)或全閉環(huán)控制采用閉環(huán)控制首要考慮的是系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)動

8、控制的性能不僅要考核時(shí)域響應(yīng)，還要考核頻域特性運(yùn)動控制系統(tǒng)由控制平臺、功率放大器/驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)/電機(jī)/電機(jī)、反饋器件、被控對象及控制算法構(gòu)成運(yùn)動系統(tǒng)部件的選擇要綜合考慮很多因素高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)的應(yīng)用龍門式雙軸直線電機(jī)平臺構(gòu)成：CNC（控制卡）+驅(qū)動+電機(jī)+反饋控制模式：位置/速度/力矩控制接口：總線/模擬/脈沖定位分辨率：0.5um-5um重復(fù)定位精度：10um最大加速度：5g特點(diǎn)：多軸聯(lián)動，精度高，功能強(qiáng)，價(jià)格偏高應(yīng)用領(lǐng)域：數(shù)控機(jī)床、激光設(shè)備、封裝設(shè)備、測試測量直線電機(jī)的特點(diǎn)現(xiàn)代機(jī)床業(yè)的新寵直線電機(jī)無絲杠傳動結(jié)構(gòu)簡單低成本低噪聲無磨損/少維修（空氣軸承無磨損）直接驅(qū)動+直接反饋高精度高

9、穩(wěn)定性 北京慧摩森公司SM系列U型開口式直線電機(jī)是高速、輕型設(shè)備的首選。其持續(xù)推力在1到20公斤之間，峰值推力可以到80公斤，配備MicorE光柵和合適的控制系統(tǒng)，典型運(yùn)行速度1到2米/秒，最大5米/秒。此系列電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、控制方便，主要應(yīng)用于電子設(shè)備、精密測量、精細(xì)加工等領(lǐng)域。 伺服驅(qū)動器的選擇HN伺服控制驅(qū)動器是一種通用型的伺服控制驅(qū)動器，可驅(qū)動交流無刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)和交流無刷直線電機(jī)等伺服電機(jī)。該驅(qū)動器采用DSP作為核心控制芯片，使用全數(shù)字電機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)控制，此外該驅(qū)動器還具有：微動換相、電機(jī)參數(shù)識別、控制參數(shù)自整定、高階運(yùn)動軌跡生成、共振抑制、用戶程序控制等功能。反饋裝置的選擇MicroE光柵編碼器及DRC編碼器尺寸下（硬幣大?。?，重量輕（5克）分辨率高：5um-0.1nm可選速度快：高達(dá)7.2m/s直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動均可適用SIKO磁柵尺提供柵尺、讀取頭、信號轉(zhuǎn)換裝置、顯示表頭。信號輸出方式：模擬、數(shù)字、絕對式典型產(chǎn)品：MSK5000系列數(shù)字信號輸出，LED工作狀態(tài)指示最高分辨率：