固高运动控制技术基础教育课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,固高科技有限公司运动控制技术系列讲座,固高运动控制技术基础,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,驱动器,上位计算机,运动控制器,电机,应用程序指令,运动指令,负载,传动机构,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,驱动器,上位计算机,运动控制器,电机,应用程序指令,运动指令,负载,反馈元件,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,反馈元件,驱动器,上位计算机,运动控制器,电机,应用程序指令,运动指令,负载,传动机构,位置反馈,速度反馈,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,驱动器,上位计算机,运动控制器,电机,应用程序指令,运动指令,负载,反馈元件,传动机构,位置反馈,速度反馈,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,反馈元件,驱动器,上位计算机,运动控制器,电机,应用程序指令,运动指令,负载,位置反馈,速度反馈,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,单极模式,双极模式,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,Torque,Angle,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,Angle,IB,IA,7.2,0,1,5.4,-1,0,3.6,0,-1,1.8,1,0,0,0,1,通常每一步为1.8，下图表示了整步运行的情况,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,运动控制器,脉冲,方向,驱动器,步进电机,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,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）,T,M,电压命令,电流反馈,速度放大器,电机,速度反馈,电流放大器,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,运动控制器,电机,运动指令,负载,反馈元件,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,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,12/3/2025,28,交流伺服电机结构示意图,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,12/3/2025,30,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。,12/3/2025,31,如何放置霍尔传感器？,假设转矩曲线为梯形曲线,12/3/2025,32,三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。,12/3/2025,33,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。,12/3/2025,34,驱动器（放大器）工作原理（续）,伺服放大器结构框图,12/3/2025,36,电流PWM控制,脉宽调制技术（三角波、正弦波）,非低噪音模式,12/3/2025,37,电流PWM控制（续）,低噪音模式,12/3/2025,38,电流输出,12/3/2025,39,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,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,12/3/2025,53,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,光电元件,刻度盘,扫描标线,聚光器,光源,(LED),典型情况下，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,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；,12/3/2025,56,编码器信号接口,集电极开路输出（OC）,差动输出,12/3/2025,57,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,(V,pp,=1V),经过,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,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,12/3/2025,59,使用增量信号的绝对值编码器,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,16:1,16:1,分辨率,:,256,倍,分辨率,:,4,096,倍,多圈绝对值编码器,电机转速,16:1,分辨率,:,16,倍,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,(V,pp,=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,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,Features,Ball Screw Actuators,Timing Belt Actuators,Linear Motor Actuators,Speed,Max 1.5 m/s,Max 3.5 m/s,Max 5 m/s,Motor,Rotary Servo Motor,Rotary Servo Motor,Linear Servo Motor,Backlash,350 um,10100 um,Zero backlash,Servo Feedback /Accuracy,Rotary encoder,Rotary encoder,Linear encoder(actual position),Drive Design(mechanical),Complicated,Complicated,Simple design,Maintenance,High,Belt tensioning required periodically,Least,Smoothness,Noisy when moving fast,Noisy,Smooth motion,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,Attribute,IronCore,AirCore,Slotless,Cost,Low,High,Lowest,Attractive Force,Highest,None,Moderate,Cogging,Highest,None,Moderate,Force/Size,Best,Moderate,Good,Thermal Characteristics,Best,Worst,Good,Forcer Weight,Heaviest,Lightest,Moderate,Forcer Strength,Best,Worst,Good,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,电流控制器,功率部分,M,标准异步电机,实际电流值测量,-I,act,I,set,速度控制器,实际速度值,-n,act,n,set,E,E,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,-I,act,I,set,速度控制器,-n,act,n,set,位置控制器,-x,act,x,set,E,实际速度值,实际位置,