演示文稿固高運動控制技術(shù)基礎(chǔ)

演示文稿固高運動控制技術(shù)基礎(chǔ)現(xiàn)在是1頁\一共有71頁\編輯于星期一固高運動控制技術(shù)基礎(chǔ)現(xiàn)在是2頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)概述什么是運動控制？

簡單地講，運動控制就是通過機(jī)械傳動裝置對運動部件的位置、速度進(jìn)行實時的控制管理，使運動部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)（如速度、加速度參數(shù)等）完成相應(yīng)的動作?，F(xiàn)在是3頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)（OpenLoop電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)：運動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面驅(qū)動器上位計算機(jī)運動控制器電機(jī)

應(yīng)用程序指令運動指令負(fù)載傳動機(jī)構(gòu)現(xiàn)在是4頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)1）開環(huán)控制系統(tǒng)（OpenLoop）電機(jī)：（直流伺服電機(jī)）、交流伺服電機(jī)驅(qū)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(jī)：運動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面驅(qū)動器上位計算機(jī)運動控制器電機(jī)

應(yīng)用程序指令運動指令負(fù)載反饋元件傳動機(jī)構(gòu)位置反饋現(xiàn)在是5頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)2）閉環(huán)控制系統(tǒng)（CloseLoop）電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)驅(qū)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(jī)軸上位計算機(jī)：運動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面反饋元件驅(qū)動器上位計算機(jī)運動控制器電機(jī)

應(yīng)用程序指令運動指令負(fù)載傳動機(jī)構(gòu)位置反饋速度反饋現(xiàn)在是6頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)3）閉環(huán)控制系統(tǒng)（CloseLoop）電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)驅(qū)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(fù)載上位計算機(jī)：運動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面驅(qū)動器上位計算機(jī)運動控制器電機(jī)

應(yīng)用程序指令運動指令負(fù)載反饋元件傳動機(jī)構(gòu)位置反饋速度反饋現(xiàn)在是7頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)4）閉環(huán)控制系統(tǒng)（CloseLoop）電機(jī)：直線電機(jī)驅(qū)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(fù)載上位計算機(jī)：運動代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面反饋元件驅(qū)動器上位計算機(jī)運動控制器電機(jī)

應(yīng)用程序指令運動指令負(fù)載位置反饋速度反饋現(xiàn)在是8頁\一共有71頁\編輯于星期一閉環(huán)控制的幾種形式現(xiàn)在是9頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成部件上位計算機(jī)：PC機(jī)運動控制器專用運動控制器開放式結(jié)構(gòu)運動控制器驅(qū)動器：全數(shù)字式驅(qū)動器電機(jī)步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)反饋元件位置反饋元件：角度、位移速度反饋元件傳動機(jī)構(gòu)：齒型帶；減速器；齒輪齒條；滾珠絲杠。現(xiàn)在是10頁\一共有71頁\編輯于星期一電機(jī)控制基本知識常見的控制電機(jī)步進(jìn)電機(jī)永磁式：兩相（7.5度）反應(yīng)式：三相（1.5度）混合式：兩相（1.8度）或五相（0.72度）伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直線電機(jī)現(xiàn)在是11頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。單極與雙極連線模式單極模式雙極模式現(xiàn)在是12頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)1）當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的一相繞組（A相）通電時，產(chǎn)生力矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動至位置P（通常叫一個步距角），當(dāng)另一相（B相）繞組通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)動至Q點TorqueAngleFigure:Rotationinasteppermotorisgeneratedbyalternatelyenergizingandde-energizingthepolesinthemotor’sstatorcreatingtorquewhichturnstherotor.現(xiàn)在是13頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)2）當(dāng)A相繞組反相通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)到R點，當(dāng)B相繞組反相通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)動至S點AngleIBIA7.2015.4-103.60-11.810001通常每一步為1.8o，下圖表示了整步運行的情況現(xiàn)在是14頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)3）單極整步運行圖雙極整步運行圖現(xiàn)在是15頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)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7.2016.3-115.4-104.5-1-13.60-12.71-11.8100.911001Angle(deg)IBIA現(xiàn)在是16頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)5）單極半步運行雙極半步運行現(xiàn)在是17頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)6）微步運行模式—細(xì)分運行模式電機(jī)旋轉(zhuǎn)的位置隨A相和B相繞組中的電流的比例而變化現(xiàn)在是18頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的控制運動控制器脈沖方向驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)運動控制器：產(chǎn)生脈沖和方向信號驅(qū)動器：脈沖環(huán)行分配、電流放大現(xiàn)在是19頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點低成本控制簡單，能直接實現(xiàn)數(shù)字控制開環(huán)控制，位移與脈沖數(shù)成正比，速度與脈沖頻率成正比結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積）現(xiàn)在是20頁\一共有71頁\編輯于星期一步進(jìn)電機(jī)的缺點單步響應(yīng)中有較大的超調(diào)量和振蕩承受慣性負(fù)載能力差，僅適用于負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量比低的運行情況（慣量比小于3）轉(zhuǎn)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(yīng)

高速時損耗較大低效率，電機(jī)過熱（機(jī)殼可達(dá)90℃）

噪音大，特別在高速運行時

當(dāng)出現(xiàn)滯后或超前振蕩時，幾乎無法消除

可選擇的電機(jī)尺寸有限，輸出功率較小位置精度較低現(xiàn)在是21頁\一共有71頁\編輯于星期一直流伺服電機(jī)工作原理通電線圈與磁場的相互作用產(chǎn)生了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩現(xiàn)在是22頁\一共有71頁\編輯于星期一直流伺服電機(jī)工作原理（續(xù)1）定子：磁場—永磁體轉(zhuǎn)子：電樞繞組換向：換向器與碳刷

加于直流電機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機(jī)電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)?，F(xiàn)在是23頁\一共有71頁\編輯于星期一直流伺服電機(jī)工作原理（續(xù)2）轉(zhuǎn)矩方向與電流方向的關(guān)系為確保直流電動機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過線圈的電流方向是交變的。轉(zhuǎn)矩隨q變化曲線圖，q為線圈與磁力線的夾角。現(xiàn)在是24頁\一共有71頁\編輯于星期一直流電動機(jī)的換向電流的換向是由電刷和換向器共同完成的?，F(xiàn)在是25頁\一共有71頁\編輯于星期一直流電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動器電源放大器通常接受±１０Ｖ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(guān)型放大器（ＰＷＭ方式）∑∑TM電壓命令電流反饋速度放大器電機(jī)－－速度反饋電流放大器現(xiàn)在是26頁\一共有71頁\編輯于星期一直流伺服電機(jī)的控制運動控制器：速度指令，位置反饋取自電機(jī)軸驅(qū)動器：速度反饋控制（或許電流反饋控制），電流放大驅(qū)動器運動控制器電機(jī)運動指令負(fù)載反饋元件現(xiàn)在是27頁\一共有71頁\編輯于星期一直流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點優(yōu)點:

精確的速度控制轉(zhuǎn)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(chǎn)生磨損微粒(對于無塵室)解決方案：無刷電子換向電機(jī)現(xiàn)在是28頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服電機(jī)－－無刷電機(jī)改變電機(jī)的結(jié)構(gòu)–—磁極作轉(zhuǎn)子，線圈作定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(zhuǎn)子的磁場通常的結(jié)構(gòu)：三相電機(jī)三個霍爾傳感器現(xiàn)在是29頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)在是30頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服電機(jī)工作原理（續(xù)）電子換相（VS電刷換向）磁極位置檢測現(xiàn)在是31頁\一共有71頁\編輯于星期一霍爾傳感器將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(jī)一端?，F(xiàn)在是32頁\一共有71頁\編輯于星期一如何放置霍爾傳感器？

假設(shè)轉(zhuǎn)矩曲線為梯形曲線現(xiàn)在是33頁\一共有71頁\編輯于星期一三相電流和力矩的關(guān)系

每一相有三個階段:正向電流－1/3時間負(fù)向電流－1/3時間沒有電流－1/3時間在三相中，總是：一相正向電流一相負(fù)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。現(xiàn)在是34頁\一共有71頁\編輯于星期一驅(qū)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(dǎo)通,同時一個下邊的（偶）晶體管導(dǎo)通。現(xiàn)在是35頁\一共有71頁\編輯于星期一驅(qū)動器（放大器）工作原理（續(xù)）現(xiàn)在是36頁\一共有71頁\編輯于星期一伺服放大器結(jié)構(gòu)框圖現(xiàn)在是37頁\一共有71頁\編輯于星期一電流PWM控制脈寬調(diào)制技術(shù)（三角波、正弦波）非低噪音模式現(xiàn)在是38頁\一共有71頁\編輯于星期一電流PWM控制（續(xù)）低噪音模式現(xiàn)在是39頁\一共有71頁\編輯于星期一電流輸出現(xiàn)在是40頁\一共有71頁\編輯于星期一幾種交流伺服電機(jī)現(xiàn)在是41頁\一共有71頁\編輯于星期一電子換向利用霍爾元件檢測到轉(zhuǎn)子磁場變化，并給出正確的狀態(tài)來接通（或關(guān)斷）相應(yīng)的繞組電流，6種狀態(tài)完成一次轉(zhuǎn)化，對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極利用上述原理控制的電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)交流伺服電機(jī)是直流無刷電機(jī)無位置傳感器原理：電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，每一相的反電動勢過零兩次，而電機(jī)換流時刻與反電動勢過零時刻有固定的對應(yīng)關(guān)系，因此可以得到換流時刻?，F(xiàn)在是42頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服驅(qū)動器的換向DrivewithHallsensor,EncoderorResolverforcommutationandFeedback:現(xiàn)在是43頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服驅(qū)動器的換向（續(xù)1）DrivewithCommutatingEncoder:現(xiàn)在是44頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服驅(qū)動器的換向（續(xù)2）DrivewithResolver:現(xiàn)在是45頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服電機(jī)的控制運動控制器位置反饋驅(qū)動器交流伺服電機(jī)運動控制器：產(chǎn)生速度控制信號驅(qū)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現(xiàn)在是46頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服電機(jī)的優(yōu)點良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)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(nèi)，實現(xiàn)恒力矩低噪音沒有電刷的磨損，免維護(hù)不產(chǎn)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現(xiàn)在是47頁\一共有71頁\編輯于星期一交流伺服電機(jī)的缺點控制較復(fù)雜驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)整定需要更多的連線現(xiàn)在是48頁\一共有71頁\編輯于星期一驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動器模擬式：通常可控制電機(jī)的速度和力矩數(shù)字式：可控制電機(jī)的速度和力矩；也可直接控制電機(jī)的位置現(xiàn)在是49頁\一共有71頁\編輯于星期一模擬伺服驅(qū)動器現(xiàn)在是50頁\一共有71頁\編輯于星期一數(shù)字伺服驅(qū)動器現(xiàn)在是51頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件光電式位置檢測元件旋轉(zhuǎn)式光電編碼器（電機(jī)位置、速度和換相信號）光柵尺（負(fù)載位置）現(xiàn)在是52頁\一共有71頁\編輯于星期一運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件（續(xù)）霍爾傳感器（HallEffectSensor）

產(chǎn)生電機(jī)換相信號測速發(fā)電機(jī)（Tachometer）產(chǎn)生電機(jī)速度信號旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）產(chǎn)生電機(jī)位置信號現(xiàn)在是53頁\一共有71頁\編輯于星期一編碼器分類與功能分類直線位移式(光柵尺）VS旋轉(zhuǎn)式編碼器絕對式VS增量式功能電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電機(jī)速度檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(a)RotaryIncrementalOpticalEncoder

現(xiàn)在是54頁\一共有71頁\編輯于星期一編碼系統(tǒng)——檢測實際速度值和/或?qū)嶋H位置旋轉(zhuǎn)式編碼系統(tǒng)絕對值編碼器增量編碼器旋轉(zhuǎn)變壓器sin/cos光信號方波脈沖編碼器兩極多極HTLTTL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(zhuǎn)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EnDatSSIPROFIBUSEnDatSSIPROFIBUSEnDatSSIEnDatSSI現(xiàn)在是55頁\一共有71頁\編輯于星期一方波信號增量編碼器光電元件刻度盤掃描標(biāo)線聚光器光源

(LED)典型情況下，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，編碼器產(chǎn)生1,024個周期脈沖軌跡A軌跡B零位標(biāo)記=參考位置標(biāo)記軌跡A軌跡B邊沿檢測=4倍脈沖現(xiàn)在是56頁\一共有71頁\編輯于星期一編碼器信號種類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；現(xiàn)在是57頁\一共有71頁\編輯于星期一編碼器信號接口集電極開路輸出（OC）差動輸出現(xiàn)在是58頁\一共有71頁\編輯于星期一Sin/Cos光電編碼器，Vpp=1V光電元件刻度盤掃描標(biāo)線光源(LED)模擬信號(Vpp=1V)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成高分辨率數(shù)字信號典型分辨率：

2,048

脈沖每正弦周期典型分辨率：

4,000,000個脈沖每周期電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，編碼器產(chǎn)生2,048個周期的sin/cos信號脈沖正弦軌跡余弦軌跡聚光器零位標(biāo)記=參考位置標(biāo)記1V現(xiàn)在是59頁\一共有71頁\編輯于星期一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現(xiàn)在是60頁\一共有71頁\編輯于星期一使用增量信號的絕對值編碼器

單圈絕對值編碼器聚光器光源掃描標(biāo)線光電元件刻度盤霍爾元件變速箱旋轉(zhuǎn)編碼器增量軌跡對一個具有8192個位置的機(jī)械旋轉(zhuǎn)進(jìn)行二進(jìn)制編碼16:116:1分辨率:256倍分辨率:4,096倍

多圈絕對值編碼器電機(jī)轉(zhuǎn)速16:1分辨率:16倍現(xiàn)在是61頁\一共有71頁\編輯于星期一兩極旋轉(zhuǎn)變壓器1

機(jī)械周期包絡(luò)線旋轉(zhuǎn)變壓器取出正弦信號取出余弦信號輸入載波頻率

2-10kHz模擬信號(Vpp=1V)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成高分辨率數(shù)字信號典型分辨率：

4,096

脈沖每正弦周期典型分辨率4,096脈沖每周期現(xiàn)在是62頁\一共有71頁\編輯于星期一最常用的機(jī)械傳輸方式旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換齒型帶帶有螺旋輪和平行軸的減速器擺線及外擺線轉(zhuǎn)減速器諧波驅(qū)動正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。旋轉(zhuǎn)到直線運動的轉(zhuǎn)換齒型帶齒輪齒條金屬帶滾珠絲杠現(xiàn)在是63頁\一共有71頁\編輯于星期一各種傳動方式的比較齒型帶：價格便宜、反應(yīng)慢，應(yīng)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(yīng)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)振蕩現(xiàn)在是64頁\一共有71頁\編輯于星期一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(dá)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(jī)選型和系統(tǒng)控制帶寬總的說來，直線電機(jī)是高性能直線運動的最佳控制方式Backlashiscausedbyspaceof"play"betweencontactingsurfacesinballscrews,gears,beltdrives,andotherlinearmotiondevices.現(xiàn)在是65頁\一共有71頁\編輯于星期一直線電機(jī)同其他傳動方式比較滾