固高運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)ppt課件.ppt

1、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ),1,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述,什么是運(yùn)動(dòng)控制？ 簡(jiǎn)單地講，運(yùn)動(dòng)控制就是通過機(jī)械傳動(dòng)裝置對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使運(yùn)動(dòng)部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如速度、加速度參數(shù)等）完成相應(yīng)的動(dòng)作。,2,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop 電機(jī)：步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器：脈沖分配，電流放大 運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，位置脈沖指令 上位計(jì)算機(jī)：運(yùn)動(dòng)代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,3,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)1）,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop） 電機(jī)：（直流伺服電機(jī)）、交流伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器：電流放大，位置反饋控制 運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，位置脈沖指令 上位計(jì)算機(jī)：運(yùn)

2、動(dòng)代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,傳動(dòng)機(jī)構(gòu),位置反饋,4,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)2）,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器：速度反饋控制，電流放大 運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自電機(jī)軸 上位計(jì)算機(jī)：運(yùn)動(dòng)代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,5,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)3）,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop） 電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器：速度反饋控制，電流放大 運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自負(fù)載 上位計(jì)算機(jī)：運(yùn)動(dòng)代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,6,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成（續(xù)4）,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close Loop）

3、電機(jī)：直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器：速度反饋控制，電流放大 運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，速度指令，位置反饋取自負(fù)載 上位計(jì)算機(jī)：運(yùn)動(dòng)代碼生成，應(yīng)用程序，人機(jī)界面,7,閉環(huán)控制的幾種形式,8,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成部件,上位計(jì)算機(jī)：PC機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制器 專用運(yùn)動(dòng)控制器 開放式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器 驅(qū)動(dòng)器：全數(shù)字式驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)：齒型帶；減速器；齒輪齒條；滾珠絲杠。,9,電機(jī)控制基本知識(shí),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

4、服電機(jī) 直流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī) 直線電機(jī),10,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(hào)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,11,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(shí)，產(chǎn)生力矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至位置P（通常叫一個(gè)步距角），當(dāng)另一相（B相）繞組通電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至Q點(diǎn),Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motors stator creating torque w

5、hich turns the rotor.,12,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(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)到R點(diǎn)，當(dāng)B相繞組反相通電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至S點(diǎn),13,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)3）,單極整步運(yùn)行圖 雙極整步運(yùn)行圖,14,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)4）,半步運(yùn)行模式:,A相通 P點(diǎn) B相通 Q點(diǎn) A、B相同時(shí)通 H點(diǎn),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,15,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)5）,單極半步運(yùn)行,雙極半步運(yùn)行,16,步進(jìn)電機(jī)的工作原理(續(xù)6）

6、,微步運(yùn)行模式細(xì)分運(yùn)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,17,步進(jìn)電機(jī)的控制,18,步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),低成本 控制簡(jiǎn)單，能直接實(shí)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(jiǎn)單，無換向器和電刷，堅(jiān)固耐用 抗干擾能力強(qiáng) 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 ）,19,步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn),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(yùn)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(yùn)行 自振效應(yīng) 高速時(shí)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(yùn)行

7、時(shí) 當(dāng)出現(xiàn)滯后或超前振蕩時(shí)，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,20,直流伺服電機(jī)工作原理,通電線圈與磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,21,直流伺服電機(jī)工作原理（續(xù)1）,定子：磁場(chǎng)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(dòng)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。,22,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(dòng)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

8、角。,23,直流電動(dòng)機(jī)的換向,電流的換向是由電刷和換向器共同完成的。,24,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)器 電源放大器 通常接受的模擬電壓信號(hào) 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（方式）,25,直流伺服電機(jī)的控制,運(yùn)動(dòng)控制器：速度指令，位置反饋取自電機(jī)軸 驅(qū)動(dòng)器：速度反饋控制（或許電流反饋控制），電流放大,26,直流伺服電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn): 精確的速度控制 轉(zhuǎn)矩速度特性很硬 原理簡(jiǎn)單、使用方便 價(jià)格優(yōu)勢(shì) 缺點(diǎn): 電刷換向 速度限制 附加阻力 產(chǎn)生磨損微粒(對(duì)于無塵室) 解決方案：無刷電子換向電機(jī),27,2020/7/30,28,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

9、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(cè)量磁場(chǎng)磁力線與線圈的夾角 霍爾傳感器可以測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng) 通常的結(jié)構(gòu)： 三相電機(jī) 三個(gè)霍爾傳感器,交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,29,2020/7/30,30,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(cè),2020/7/30,31,霍爾傳感器,將3個(gè)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。,2020/7/30,32,如何放置霍爾傳感器？,假設(shè)轉(zhuǎn)矩曲線為梯形曲線,2020/7/30,33,三相電流和力矩的關(guān)系,每一相有三個(gè)階段: 正向電流 1/3 時(shí)間 負(fù)向電流 1/3 時(shí)間 沒有電流 1/3

10、 時(shí)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(shí)斷開另一相。,2020/7/30,34,驅(qū)動(dòng)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(gè)上邊的（奇）晶體管導(dǎo)通, 同時(shí)一個(gè)下邊的（偶）晶體管導(dǎo)通。,驅(qū)動(dòng)器（放大器）工作原理（續(xù)）,35,2020/7/30,36,伺服放大器結(jié)構(gòu)框圖,2020/7/30,37,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,2020/7/30,38,電流PWM控制（續(xù)）,低噪音模式,2020/7/30,39,電流輸出,幾種交流伺服電機(jī),40,電子換向,利用霍爾元件檢測(cè)到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)

11、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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對(duì)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(dòng)勢(shì)過零兩次，而電機(jī)換流時(shí)刻與反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)刻有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以得到換流時(shí)刻。,41,交流伺服驅(qū)動(dòng)器的換向,Drive with Hall sensor, Encoder or Resolver for commutation and Feedback:,42,交流伺服驅(qū)動(dòng)器的換向 （續(xù)1）,Drive with Commutating Encoder:,43,交流伺服驅(qū)動(dòng)器的換

12、向 （續(xù)2）,Drive with Resolver:,44,交流伺服電機(jī)的控制,運(yùn)動(dòng)控制器,位置反饋,驅(qū)動(dòng)器,交流伺服電機(jī),運(yùn)動(dòng)控制器：產(chǎn)生速度控制信號(hào) 驅(qū)動(dòng)器：速度反饋控制，電子換向,速度指令,速度反饋與換向信號(hào),光電編碼器,45,交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),良好的速度控制特性，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)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(yùn)行區(qū)域內(nèi)，實(shí)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(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)性,46,交流伺服電機(jī)的缺點(diǎn),控制較復(fù)雜 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整 PID參數(shù)

13、整定 需要更多的連線,47,驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（Indexer） 接受脈沖信號(hào)控制繞組電流；環(huán)形分配器 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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,48,模擬伺服驅(qū)動(dòng)器,49,數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器,50,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的反饋檢測(cè)元件,光電式位置檢測(cè)元件 旋轉(zhuǎn)式光電編碼器（電機(jī)位置、速度和換相信號(hào)） 光柵尺（負(fù)載位置）,51,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的反饋檢測(cè)元件（續(xù)）,霍爾傳感器（Hall Effect Sensor） 產(chǎn)生電機(jī)換相信號(hào) 測(cè)速發(fā)電機(jī) （Tachometer） 產(chǎn)生電機(jī)速度信號(hào) 旋轉(zhuǎn)變壓器 （Resolver） 產(chǎn)生電機(jī)位置信號(hào)

14、,52,2020/7/30,53,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(duì)式 VS 增量式 功能 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 電機(jī)速度檢測(cè) 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè),(a) Rotary Incremental Optical Encoder,編碼系統(tǒng) 檢測(cè)實(shí)際速度值和/或?qū)嶋H位置,旋轉(zhuǎn)式編碼系統(tǒng),絕對(duì)值編碼器,增量編碼器,旋轉(zhuǎn)變壓器,sin/cos 光信號(hào),方波脈沖 編碼器,兩極,多極,HTL,TTL,絕對(duì)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(gè)絕對(duì)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(hào),有增量信號(hào),EnDat

15、SSI PROFIBUS,EnDat SSI PROFIBUS,EnDat SSI,EnDat SSI,54,方波信號(hào)增量編碼器,55,2020/7/30,56,編碼器信號(hào)種類,A、B、Z相信號(hào)，A、B相為正交信號(hào)； 單端、差動(dòng)輸出； TTL方波、正旋波輸出；,2020/7/30,57,編碼器信號(hào)接口,集電極開路輸出（OC） 差動(dòng)輸出,Sin/Cos光電編碼器， Vpp = 1V,58,2020/7/30,59,絕對(duì)位置編碼器,上電讀取絕對(duì)位置 工作時(shí)按增量式編碼器,使用增量信號(hào)的絕對(duì)值編碼器,60,兩極旋轉(zhuǎn)變壓器,61,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

16、器 擺線及外擺線轉(zhuǎn)減速器 諧波驅(qū)動(dòng) 正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。 旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換 齒型帶 齒輪齒條 金屬帶 滾珠絲杠,62,各種傳動(dòng)方式的比較,齒型帶：價(jià)格便宜、反應(yīng)慢，應(yīng)用于控制帶寬窄的場(chǎng)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(jià)格貴 諧波齒輪減速箱：體積小、傳動(dòng)比大、齒隙小，但價(jià)格較貴，剛性不高 正切絲杠減速器：應(yīng)用場(chǎng)合有限，不是合低速時(shí)使用，潤(rùn)滑要求高、效率低 齒輪齒條：傳動(dòng)行程長(zhǎng)、但反向間隙較大，非線性因素，易引起系統(tǒng)振蕩,63,各種傳動(dòng)方式的比較（續(xù)）,滾珠絲杠：可以適合多種情形的傳動(dòng)，精度高、齒隙較小、可以達(dá)到較高的速度；但對(duì)大行程的傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)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.,64,直線電機(jī)同其他傳動(dòng)方式比較,滾珠絲杠、齒行帶和直線電機(jī),65,直線電機(jī)的發(fā)展