固高运动控制技术基础

固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制技术基础固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统概述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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成开环控制系统（OpenLoop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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成（续1）开环控制系统（OpenLoop）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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成（续2）闭环控制系统（CloseLoop）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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成（续3）闭环控制系统（CloseLoop）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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统的典型构成（续4）闭环控制系统（CloseLoop）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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座闭环控制的几种形式固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座电机控制基本知识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直线电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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TorqueAngleIA=1IB=1PQFigure:Rotationinasteppermotorisgeneratedbyalternatelyenergizingandde-energizingthepolesinthemotor’sstatorcreatingtorquewhichturnstherotor.固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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AngleIBIA7.2015.4-103.60-11.810001IA=1IB=101.8TorquePosition3.65.4通常每一步为1.8º，下图表示了整步运行的情况RIA=1IB=1PQTorqueAngleIA=-1S固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续3）单极整步运行图双极整步运行图固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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IA=1IB=1BothPHQ7.2016.3-115.4-104.5-1-13.60-12.71-11.8100.911001Angle(deg)IBIA固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的工作原理(续5）单极半步运行双极半步运行固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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IA=1IB=1PGQ固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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、电流放大固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的优点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）固高科技有限公司运动控制技术系列讲座步进电机的缺点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位置精度较低固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流伺服电机工作原理（续2）转矩方向与电流方向的关系TorqueCurrent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变化曲线图，为线圈与磁力线的夹角。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座直流电机驱动驱动器电源放大器通常接受±１０Ｖ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（ＰＷＭ方式）∑∑TM电压命令电流反馈速度放大器电机－－速度反馈电流放大器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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：无刷电子换向电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/328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CIBIAIC2B2B1C1A1B1C2B2C1A2NSA1A2固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服电机结构示意图固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/330交流伺服电机工作原理（续）电子换相（VS电刷换向）磁极位置检测固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/331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。H1H2H3States101100110010011001固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/332如何放置霍尔传感器？假设转矩曲线为梯形曲线H1H2H3CurrentTorque固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/333三相电流和力矩的关系TaIaTbIbTcIc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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/334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。T1T3T5T2T4T6IAIBIC+VSH1H2H3States101100110010011001固高科技有限公司运动控制技术系列讲座驱动器（放大器）工作原理（续）固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/336伺服放大器结构框图固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/337电流PWM控制脉宽调制技术（三角波、正弦波）非低噪音模式固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/338电流PWM控制（续）低噪音模式固高科技有限公司运动控制技术系列讲座2020/1/339电流输出固高科技有限公司运动控制技术系列讲座几种交流伺服电机固高科技有限公司运动控制技术系列讲座电子换向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。固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服驱动器的换向•DrivewithHallsensor,EncoderorResolverforcommutationandFeedback:固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服驱动器的换向（续1）•DrivewithCommutatingEncoder:固高科技有限公司运动控制技术系列讲座交流伺服驱动器的换向（续2）DrivewithResolver:固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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价格具有竞争性固高科技有限公司运动控制技术系列讲座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需要更多的连线固高科技有限公司运动控制技术系列讲座驱动器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固高科技有限公司运动控制技术系列讲座模拟伺服驱动器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座数字伺服驱动器固高科技有限公司运动控制技术系列讲座运动控制系统