運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計-課件

運(yùn)動控制系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院主講教師：許家忠1ppt課件運(yùn)動控制系統(tǒng)中的控制器2ppt課件分類PLCPC+運(yùn)動控制器開放式結(jié)構(gòu)固高PMACTRIO專用控制器3ppt課件PLC–定義PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。4ppt課件PLC–定義國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備都應(yīng)按易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。5ppt課件PLC–結(jié)構(gòu)PLC分為一體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)。但它們的組成是相同的，都有CPU、I/O、內(nèi)存、電源等。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。一般一體式在微小型PLC中采用，其CPU板、I/O板、電源板等集成在一個模塊中，目的是降低成本，滿足用戶經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求，它通過擴(kuò)展電纜連接擴(kuò)展模塊。中大型PLC

對性能、容量、網(wǎng)絡(luò)、I/O能力、可靠性等要求很高，一般采用模塊式，電源、CPU、I/O都單獨(dú)成模塊，插在底板或機(jī)架上，構(gòu)成一個整體系統(tǒng)。6ppt課件PLC–結(jié)構(gòu)7ppt課件8ppt課件9ppt課件10ppt課件11ppt課件PLC應(yīng)用PLC國內(nèi)市場目前主要有三大流派，占中國市場份額90％以上：

美國：ROCKWELL、GE；歐洲：西門子、施耐德；日本：三菱、OMRON。在大中型PLC市場，西門子占據(jù)優(yōu)勢，其次是施耐德、ROCKWELL、GE，日系品牌競爭力較弱；在微小型PLC市場，三菱、OMRON、西門子占據(jù)了絕大多數(shù)份額，其品牌份額較少。12ppt課件工作原理PLC是按循環(huán)掃描方式運(yùn)行的。在PLC出廠時，只有系統(tǒng)軟件，用戶必須根據(jù)工藝要求編寫自己的用戶程序，才能實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時，系統(tǒng)順序、循環(huán)地執(zhí)行。13ppt課件PLC四種任務(wù)執(zhí)行用戶程序：系統(tǒng)順序執(zhí)行用戶程序的指令序列，從第一條主程序指令開始，逐一執(zhí)行用戶程序的指令序列，直到執(zhí)行完主程序結(jié)束指令為止。通訊任務(wù)：與編程軟件、上位組態(tài)軟件、觸摸屏等通訊時，響應(yīng)下達(dá)的通訊命令。內(nèi)務(wù)處理：處理各種系統(tǒng)內(nèi)務(wù)，如刷新面板指示燈，更新軟件計時器和計數(shù)器值、刷新特殊中間繼電器和特殊數(shù)據(jù)寄存器。I/O刷新：包括輸出刷新階段和輸入刷新階段。輸出刷新階段是根據(jù)Y元件的值（ON/OFF），接通或斷開對應(yīng)的硬件輸出端口。輸入刷新階段是將硬件輸入端口的接通或斷開狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的X元件值（ON/OFF）。14ppt課件15ppt課件16ppt課件17ppt課件“PC+運(yùn)動控制器”結(jié)構(gòu)有何優(yōu)點(diǎn)？4倍頻輸入增量式編碼器信號，其中編碼器3000線，轉(zhuǎn)速3000r/min，那么控制器編碼器信號接口輸入信號頻率至少為多少？PLC？PCC？PAC?GT-400-SV四軸伺服運(yùn)動控制器特點(diǎn)及控制軸運(yùn)動控制方式。18ppt課件轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。19ppt課件速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統(tǒng)的定位精度。20ppt課件伺服電機(jī)的三環(huán)控制伺服電機(jī)一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運(yùn)算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。21ppt課件第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機(jī)編碼器的信號來進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。

22ppt課件第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有3個環(huán)的運(yùn)算，此時的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。23ppt課件伺服電機(jī)選型問題在選擇好機(jī)械傳動方案以后，就必須對伺服電機(jī)的型號和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。（1）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機(jī)需滿足下列情況：

1.電機(jī)最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。

2.電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。

3.連續(xù)負(fù)載工作扭矩≦電機(jī)額定扭矩

4.馬達(dá)最大輸出扭矩＞系統(tǒng)所需最大扭矩（加速時扭力）（2）選型計算：1.

慣量匹配計算（JL/JM）2.

回轉(zhuǎn)速度計算（負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速）負(fù)載扭矩計算（連續(xù)負(fù)載工作扭矩，加速時扭矩）24ppt課件伺服電機(jī)的慣性匹配問題在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到慣量問題！具體表現(xiàn)為：1在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī)；2在調(diào)試時（手動模式下），正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出25ppt課件什么是“慣量匹配”1.根據(jù)牛頓第二定律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J×角加速度θ角加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。26ppt課件

2.進(jìn)給軸的總慣量“J＝伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM＋電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動量JL負(fù)載慣量JL由（以工具機(jī)為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。

27ppt課件步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的性能差別

雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。如：1、制造精度不同；2、低頻特性不同

3、矩頻特性不同

4、過載能力不同

5、運(yùn)行性能不同

6、速度響應(yīng)性能不同。

交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。28ppt課件運(yùn)動控制系統(tǒng)性能要求1.穩(wěn)定性2.快速響應(yīng)性好3.控制精度高29ppt課件運(yùn)動控制系統(tǒng)任務(wù)性能要求選型協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)完整的系統(tǒng)選擇最佳工作條件選擇控制算法人機(jī)界面30ppt課件如何構(gòu)建一個運(yùn)動控制系統(tǒng)總體方案選擇根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求和工藝要求，確定運(yùn)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：開環(huán)vs閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)vs伺服電機(jī)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)直接剛性連軸器連接減速機(jī)同步齒型帶運(yùn)動控制器：運(yùn)動方式反饋元件31ppt課件如何構(gòu)建一個運(yùn)動控制系統(tǒng)部件選擇反饋元件分辨率、安裝位置電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)：力矩大小、步距角、驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)伺服電機(jī)：力矩匹配、當(dāng)量匹配、慣量匹配、頻帶寬度匹配機(jī)械傳動減速比運(yùn)動控制器選擇：控制軸數(shù)、聯(lián)動軸數(shù)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境32ppt課件如何構(gòu)建一個運(yùn)動控制系統(tǒng)傳感器分辨率增量編碼器分辨率：4N/(2∏），N為每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)絕對編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器分辨率：2^n/(2∏)，n表示n位二進(jìn)制數(shù)傳感器安裝位置?電極軸端?負(fù)載33ppt課件如何構(gòu)建一個運(yùn)動控制系統(tǒng)如何選擇一個電機(jī)？選擇電機(jī)主要從下幾方面考慮：系統(tǒng)的精度要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和最高速度、最高加速度要求負(fù)載情況慣量情況機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)初步選定電機(jī)計算所選電機(jī)的峰值力矩和額定力矩是否滿足要求34ppt課件如何構(gòu)建一個運(yùn)動控制系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)的選型依據(jù)當(dāng)量匹配慣量匹配力矩匹配35ppt課件如何構(gòu)建一個運(yùn)動控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)選型之當(dāng)量匹配每個脈沖對應(yīng)的機(jī)械進(jìn)給量，這里的脈沖是指實(shí)際的反饋脈沖機(jī)械傳動方式與減速比位置分辨率vs機(jī)械進(jìn)給速度電子齒輪比36ppt課件交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用分析幾個概念定位方式系統(tǒng)精度頻帶寬度交流伺服系統(tǒng)的整定機(jī)械系統(tǒng)的完備性由內(nèi)至外的整定方式頻帶寬度與響應(yīng)時間機(jī)械共振與定位時間37ppt課件系統(tǒng)部件的選擇38ppt課件運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(1)需要確定方案，根據(jù)裝置的運(yùn)動和力學(xué)要求進(jìn)行計算，確定電機(jī)類型及驅(qū)動器、減速器、位置檢測裝置的類型和規(guī)格。(2)電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的搭配結(jié)構(gòu)。(3)選擇合適的系列運(yùn)動控制器，通常根據(jù)伺服電機(jī)、編碼器類型和數(shù)量進(jìn)行選擇。39ppt課件運(yùn)動控