交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日本課程的任務(wù)：了解交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測技術(shù)及選型掌握永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的建模、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真方法了解多種現(xiàn)代交流伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)了解交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.1 什么是“交流伺服運(yùn)動(dòng)控制”1.2交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展1.3交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4現(xiàn)代交流伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)1.5課程特點(diǎn)、內(nèi)容安排及學(xué)習(xí)方法第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日(1)電機(jī)：機(jī)電能量變換的主要裝置1、

電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1.1 什么是“交流伺服運(yùn)動(dòng)控制”直流、交流旋轉(zhuǎn)、直線、多自由度…三相交流鼠籠式異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日自動(dòng)控制系統(tǒng)（按應(yīng)用分）：運(yùn)動(dòng)控制(Motioncontrol)過程控制(Processcontrol)例如：過程控制:啤酒發(fā)酵過程，化工提煉過程，鍋爐控制運(yùn)動(dòng)控制:（續(xù)頁）(2)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要區(qū)別是被控量及控制目標(biāo)不同，“運(yùn)動(dòng)控制”以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備---電機(jī)為控制對(duì)象，解決“電能機(jī)械能”中的控制問題，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日

(2)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)芯片光刻機(jī)主軸電機(jī)帶制動(dòng)器伺服電機(jī)伺服電機(jī)刀庫刀具定位電機(jī)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)定位電機(jī)數(shù)控機(jī)床各種制造裝備及生產(chǎn)線:PCB生產(chǎn)線：貼焊、打孔、放置生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)控制半導(dǎo)體制造裝備：光刻機(jī)、芯片封裝機(jī)機(jī)械加工裝備：各型數(shù)控機(jī)床第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服控制

ASIMO2003:行走速度3.2km/h2004:舞蹈機(jī)器人（近藤）

2005:自行車自主運(yùn)行2010：仿生龜空間機(jī)器車：旅居者（1997）軍事裝備：雷達(dá)跟蹤，自動(dòng)武器，飛行器控制民用及醫(yī)療：空調(diào)、洗衣機(jī)、CT機(jī)現(xiàn)代交通：電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、磁懸浮第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日按電機(jī)分：直流傳動(dòng)系統(tǒng)交流傳動(dòng)系統(tǒng)按被控量分：以速度為控制量：調(diào)速系統(tǒng)以位置為控制量：位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）按控制器的類型分:模擬控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)按控制原理分：PID控制、模糊控制…按閉環(huán)數(shù)分：單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)系統(tǒng)(3)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分類可交叉：如數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日

交流伺服運(yùn)動(dòng)控制是以電力電子為基礎(chǔ)、以交流電機(jī)為控制對(duì)象、以自動(dòng)控制理論為指導(dǎo)、以電子技術(shù)和微處理器控制及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為手段,并與檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合,將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制（速度控制、轉(zhuǎn)矩）的控制。2“交流伺服運(yùn)動(dòng)控制”定義

簡而言之：交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的位置隨動(dòng)（伺服）運(yùn)動(dòng)控制第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的發(fā)動(dòng)機(jī)、國家安全的重要保障及國家綜合實(shí)力的主要體現(xiàn)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，是數(shù)字制造裝備的核心功能部件，應(yīng)用廣泛3交流伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的重要性高性能交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要制造商：

美國:GE,Rockwell,Emerson,Ansolder,…

歐洲:Siemens,ABB,CT(Emerson),…

日本:Toshiba,Mitsubishi,Hitachi,Fuji,…第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日19世紀(jì)中先后誕生了直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)。在20世紀(jì)的大部分年代里，已形成公認(rèn)的格局：

交流不調(diào)速 80%

直流調(diào)速 20%

在20世紀(jì)80-90年代形成新的格局： 交流調(diào)速 80%

直流調(diào)速 10%

交流不調(diào)速 10%1.2 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日1長期以來，電機(jī)調(diào)速以直流電機(jī)為主20世紀(jì)70年代以前，凡是要求調(diào)速范圍廣速度控制精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好的場合，幾乎全都采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，而交流電動(dòng)機(jī)主要用于不需要變速的電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)椋海?）直流電動(dòng)機(jī)易于控制，改變電機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流，就可在范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。（2）交流電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩特性不是固定的，不易控制。2直流電機(jī)存在嚴(yán)重缺陷：機(jī)械接觸式換向器（1）換向器表面線速度及換向電流、電壓有一極限容許值。（2）由于要照顧到換向器的可靠工作，電樞及換向器的直徑一般都做的比較大，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就大。（3）換向器必須定期停機(jī)檢修，運(yùn)行中也要經(jīng)常注意觀察換向器的火花情況。1.2 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日3交流電機(jī)的優(yōu)越性

交流電動(dòng)機(jī)，特別是籠式異步電動(dòng)機(jī)，擁有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、價(jià)格便宜及不需要經(jīng)常維修等特點(diǎn)，使其得到了十分廣泛的應(yīng)用。如果能控制好，它具有直流電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性。

1.2 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日（1）20世紀(jì)20年代人們就認(rèn)識(shí)到了，但當(dāng)時(shí)直至本世紀(jì)50年代中期，一直幾乎無法實(shí)現(xiàn)。（2）20世紀(jì)50年代中期，晶閘管研制成功，不僅開創(chuàng)了電力電子技術(shù)的新時(shí)代，同時(shí)也帶來交流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大飛躍。（3）20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的矢量控制理論帶交流電機(jī)控制技術(shù)的革命，使交流電機(jī)的控制性能在理論上和直流電機(jī)相當(dāng)。（4）20世紀(jì)80年代的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，也對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展發(fā)展起來推動(dòng)作用。4交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、交流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展極大促進(jìn)了交流電機(jī)伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。1.2 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.3 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的組成及基本要求1骨骼運(yùn)動(dòng)第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日電機(jī)部分：交流永磁電機(jī)功率變換部分：可控整流、直流斬波、逆變等控制器部分：PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等大腦/脊椎傳出神經(jīng)效應(yīng)器傳入神經(jīng)感受器肌肉/骨骼2交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的組成第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日指令發(fā)生器多軸位置控制器伺服驅(qū)動(dòng)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)目標(biāo)位置指令電流位置/速度反饋插補(bǔ)算法位置控制位置控制速度控制電流控制2交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的組成指令位置/速度反饋電流電網(wǎng)單軸運(yùn)動(dòng)第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日3交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1、穩(wěn)定性好：系統(tǒng)在給定輸入或干擾作用下，能快速調(diào)節(jié)到達(dá)新的或者回復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。2、精度高：系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量的精確程度。通常在0.01mm~0.001mm之間。3、快速響應(yīng)性好：跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快，過渡調(diào)節(jié)時(shí)間在200ms以內(nèi)，上升率大。第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.4現(xiàn)代交流伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

數(shù)字化、高精度、高速度、高性能是交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，主要表現(xiàn)在：

1、利用迅速發(fā)展的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，增強(qiáng)軟件控制功能，排除模擬電路的誤差及溫度漂移等因素的影響，采用最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制

2、開發(fā)高精度、快速檢測元件

3、開發(fā)高性能伺服電機(jī)

4、控制理論在伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)

脈沖比較伺服系統(tǒng)第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展過程第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日

1）高速響應(yīng)：取消了響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件。

2）精度：取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差。

3）傳達(dá)剛度高：避免了中間傳導(dǎo)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后，同時(shí)提高了傳達(dá)剛度。

4）速度快、加減速過程短：可達(dá)2~10g，滾珠絲桿0.1~0.5g。

5）行程長度不受限制。

6）噪聲低。

7）效率高。直線電機(jī)性能特點(diǎn)：第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日3.可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)

傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序，無法滿足I/O通道的高實(shí)時(shí)性要求，PCC采用分時(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件平臺(tái)，滿足了實(shí)時(shí)控制的要求。4.運(yùn)動(dòng)控制卡第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日

基于工業(yè)PC機(jī)、用于各種運(yùn)動(dòng)控制場合的上位控制單元。采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動(dòng)控制核心，PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互和實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有工作。標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開發(fā)性；方便構(gòu)建運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)；充分發(fā)揮PC機(jī)的功能。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日PC+PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)建的二維平臺(tái)第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日20MHzMotorolaDSP56001系列數(shù)據(jù)信號(hào)處理器8路（數(shù)模轉(zhuǎn)換）16位DAC輸出16個(gè)碼盤通道輸入16個(gè)通用I/OI/O擴(kuò)展端口越程極限，回原點(diǎn)，伺服放大器報(bào)警，使能標(biāo)志信號(hào)接口LCD和VFD顯示端口Busand/orRS-422通信脫機(jī)運(yùn)行G-Code編程（可自定義）PMAC1的標(biāo)準(zhǔn)配置線性，圓弧，三次軌跡計(jì)算，樣條插補(bǔ)256個(gè)運(yùn)動(dòng)程序存儲(chǔ)能力64個(gè)異步PLC程序存運(yùn)行超大程序的實(shí)時(shí)下載執(zhí)行功能64位位置計(jì)數(shù)范圍位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)三環(huán)矢量控制能力曲線加減速控制自定義伺服算法能力電子齒輪先進(jìn)的PID及擴(kuò)展伺服算法第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日5.網(wǎng)際開放式結(jié)構(gòu)高性能DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)

多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器組成，降低整體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的路徑誤差及伺服軸的跟隨誤差。DSP控制和數(shù)據(jù)通信，多軸伺服單元、IO子系統(tǒng)以及中央處理系統(tǒng)集成為獨(dú)立的高性能多軸運(yùn)動(dòng)控制器。多軸控制指令集合在一個(gè)中斷周期內(nèi)完成，克服了傳統(tǒng)的多片單片機(jī)的并行結(jié)構(gòu)的同步控制瓶頸。DSP控制+現(xiàn)場可編程門陣列，可在線設(shè)置和重構(gòu)，軟件升級(jí)硬件?；赥CP/IP安全通信協(xié)議，更安全可靠、傳輸效率更高。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日6.現(xiàn)場總線（CAN/SERCOS/…）運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)?；诂F(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化交流伺服體系結(jié)構(gòu)的核心部分是帶有現(xiàn)場總線接口的多軸管理器、全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器。SERCOS現(xiàn)場總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日英國trio(翠歐)多軸運(yùn)動(dòng)控制器具有RS232、RS485、USB、Ethernet、CANBus、SERCOS的通訊功能和具有HostLink、DeviceNet、ModBus通訊協(xié)議的多軸數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器，最多可以控制24個(gè)軸第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日7.智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的突破點(diǎn)是高精度智能化交流伺服系統(tǒng)的研制，它的智能水平?jīng)Q定了數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的關(guān)鍵技術(shù)。

自學(xué)習(xí)、自組織、自識(shí)別的交流伺服控制器，不依賴于對(duì)象模型的智能控制器。核心采用與PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)兼容和多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)的設(shè)計(jì)而形成的開放式系統(tǒng)。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日課程體系：區(qū)別于電類，針對(duì)機(jī)類基礎(chǔ)、側(cè)重于應(yīng)用機(jī)電一體化產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的高低，已是當(dāng)今世界衡量一個(gè)國家實(shí)力和國際地位的重要標(biāo)志。高等學(xué)校應(yīng)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高，具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的“機(jī)電復(fù)合型”人才，使學(xué)生掌握機(jī)、電、液、計(jì)算機(jī)等綜合控制系統(tǒng)的技術(shù)。1.4課程內(nèi)容安排、學(xué)習(xí)方法

電類《電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》微機(jī)原理及接口、工程控制基礎(chǔ)、機(jī)電傳動(dòng)控制交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日1緒論(2學(xué)時(shí))2伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)檢測技術(shù)及元件