运动控制技术

运动控制技术北京元茂兴傅奕劼驱动机构功率放大运动控制器执行机构减速机构机械装置传动机构编码器光栅人机界面现场过程信号★对多台电机位置、速度、转矩等参数的精确、快速控制★控制单台电机的点位运动及多台电机的插补运动，实现我们希望的加工轨迹及空间曲线★选择不同的控制方式及系统配置，实现最优控制★系统运行稳定可靠，连续运行的能力，抗干扰能力★高精度，包括定位精度，重复定位精度，动态跟随误差等★快速响应性好★快速上手，开发周期短★易于维护★运动控制是自动控制中的一个重要分支。伺服控制是核心。它是一个集自动化技术，计算机技术，机械技术，电子技术，通讯技术等的综合技术。★运动控制系统是一个比较复杂的系统，各个环节都对这个系统产生影响★可靠、功能强大的控制器，稳定的执行机构，精确的反馈机构精密的机械结构等等★执行编写的程序，控制执行机构的动作★完成伺服闭环的计算★通过插补计算，得出各个电机轴的位置★采集现场I/O信号，控制I/O设备★与PC及其他现场设备进行通讯★能够实现各种运算功能，程序的流程控制等。程序开发非常类似于PC上开发程序。·主要用于开环控制·步距角：一个脉冲对应的角度常见1.8°(2相)，0.72°（5相）加细分后可做到很小的步距角·优点：简单易用，刚度高，多为直流供电，高细分的步进电机可做到很小的步距角·缺点：开环控制丢脉冲影响精度，速度过小易出现低频振荡，速度过高输出转矩下降。常用于100rpm——300rpm间工作。·定子为永磁铁，转子上是线圈绕组·单相电机，换向波形为方波(梯形波)·机械换向——电刷及换向器·反馈：测速机或编码器·优点：结构简单，价格便宜；力矩波动小，速度波动小(测速机反馈)，多用于速度稳定性要求高的场合。·缺点：需要定期维护(更换电刷)；换向火花；散热困难影响寿命；最大速度不易超过3000rpm。·动子为永磁铁，电枢绕组在定子上。·三相电机，换向波形为三相正弦波。·电换向。HALL信号检测磁极位置。·编码器反馈。★执行运动控制器发出的控制信号，带动机械负载动作★步进电机、伺服电机、力矩电机、直线电机、直驱电机、音圈电机等驱动机构功率放大运动控制器执行机构减速机构机械装置传动机构编码器光栅人机界面现场过程信号力矩电机★可以提供低速、大转矩，取消了减速机构★低速稳定性好，力矩输出平稳，精度高，力矩波动小驱动机构功率放大运动控制器机械装置传动机构执行机构减速机构编码器光栅人机界面现场过程信号直线电机E-MOTION·直线电机可以看做将旋转电机沿径向剖开，然后将电机沿圆周展成直线·取消了机械传动装置·无机械误差，高精度·无运动滞后现象，高响应性及高刚度·不受传动机构惯量及阻力矩影响，速度快，加减速时间短·无机械摩擦，噪音低·散热性好★半导体芯片★DNA检测★印刷机构★磁悬浮列车★功率放大，将控制信号放大为控制电机运行的电压（电流）信号，PWM放大技术★保护电机，过热，过载，过电流，欠电压等★伺服闭环★控制三相电的通电顺序★直接影响运动控制系统的精度★检测电机的位置、速度、电流及磁极位置★增量型编码器，绝对型编码器，旋转变压器，直线光栅，圆光栅转矩反馈位置指令PG位置反馈速度反馈转矩闭环速度闭环位置闭环++-積分增益位置回路增益+-+-速度回路增益控制器与驱动器结合的多种方式(策略)在不同策略下控制器与驱动器各自输出及接收信号的类型在不同策略下控制器与驱动器各自要完成的功能各种策略的优缺点常用的运动控制名词控制器与驱动器的结合控制器与驱动器结合策略我们归纳了6种控制器与驱动器的组合策略，基本上覆盖了目前运动控制领域中的所有组合。每一种组合策略都有其优缺点，或者适用的场合。始终抓住伺服系统的3闭环反馈系统的特性。不同的策略最主要的差别就是：这些闭环分别在哪里完成？电机由谁负责换向？控制器与驱动器结合策略-1运动控制器开环(不闭环)运动控制器输出脉冲类型信号给伺服驱动器，类似于控制步进电机的工作方式伺服驱动器工作于位置控制模式伺服驱动器内部要完成三闭环(位置环，速度环及电流环)，伺服驱动器负责电机的换向。在这种模式下，控制器仍然可以接收来自于驱动器的编码器信号或外部的光栅尺信号，但是在控制器中不对这些信号做闭环。控制器与驱动器结合策略-1控制器与驱动器结合策略-1小知识：常见的脉冲指令类型1、脉冲+方向2、CW/CCW3、EncoderA/B控制器与驱动器结合策略-1优点：运动控制器不需要完成任何闭环，对控制器要求较低，全部通用运动控制器都可以实现这个功能。控制器即使不接任何反馈也可以实现控制。让电机运动起来很简单，几乎不会存在飞车的可能。脉冲信号抗干扰能力较强，对屏蔽要求低。控制器不需要调试PID参数，但驱动器中可能需要调试。能实现这种功能的产品最多。控制器与驱动器结合策略-1缺点：无法实现全闭环控制电机无法实现非常快速的响应所有运动控制部分都在驱动器中完成，由于大部分驱动器计算能力有限，要实现较高的控制要求往往很难实现。控制器与驱动器结合策略-2运动控制器完成位置环闭环控制器输出+/-10V速度指令信号给驱动器伺服驱动器工作于速度控制模式下，在驱动器内部实现双闭环(速度环与电流环)，驱动器负责电机的换向。在这种模式下，控制器必须接受反馈信号，否则不能实现控制。控制器与驱动器结合策略-2控制器与驱动器结合策略-2名词解释：伺服周期：控制器每隔一个固定的时间，就对伺服电机实现一次闭环控制：将控制器内部计算的指令值与从外部传感器获得的实际值比较做差，得到误差值，对该误差值进行PID等控制，实现减小偏差。这个固定的间隔时间就称为伺服周期。伺服周期是控制器一个非常重要的指标，伺服周期越短，电机响应越快，能实现更快的加减速，对误差纠正能力越强，调试效果也越好。三闭环有各自的伺服周期，最重要的是位置环伺服周期。控制器与驱动器结合策略-2优点：可以实现全闭环控制，提高系统的精度，是在能实现全闭环控制中对控制器要求最低的。相比第1种策略，电机可以实现更快的响应。控制器中可以调试参数，实现更多样化的控制。能实现这种功能的产品较多。控制器与驱动器结合策略-2缺点：对控制器要求较高，有些控制器只能发送脉冲，就不能实现这种及之后的策略。控制器必须接收反馈信号。调试较第1种复杂一些，调试时控制器中需要确定位置环极性，若极性不对，会出现飞车。控制器及驱动器可能都需要调试参数。对屏蔽要求高，控制器与驱动器共地。控制器与驱动器结合策略-2名词解释：飞车：当指令信号及反馈信号方向(符号)不一致，控制器无法实现负反馈，而是形成了正反馈，位置误差将越来越大，电机向一个方向飞速旋转。飞车一般只发生在第1次调试该电机时，当确定好极性后，就不会再出现飞车现象。控制器与驱动器结合策略-2避免飞车的方法：在调试时，先开环调试。以这种策略为例，首先控制器开环，然后控制器发送1个较小的速度指令信号给驱动器，电机将运动，再控制器中监视反馈信号的读数。正确的极性为：正电压对应反馈读数增加，负电压对应反馈读数减小。否则，需要更改反馈信号或指令信号的极性。控制器与驱动器结合策略-2小知识——控制器预防飞车或失控的策略跟随误差限制：当飞车时，跟随误差会越来越大，可以在控制器中设置跟随误差限制，当达到或超过这个限制时，控制器会自动切断对驱动器的使能信号。电机将停止。在最开始调试时，不要把这个限制设置的过小，否则电机可能经常被禁能。控制器与驱动器结合策略-3控制器实现双闭环(位置环与速度环)控制器输出+/-10V电流(转矩)指令信号给驱动器。驱动器工作于电流(转矩)控制模式下，驱动器中完成单闭环(电流环)，驱动器负责电机的换向。控制器需要接收编码器或光栅尺反馈信号，控制器中位置环与速度环反馈可以来自于相同的反馈信号，也可来自于不同的反馈信号(双反馈)。控制器与驱动器结合策略-3优点：可实现全闭环反馈控制。电机的响应比前两种策略更快。能实现该功能的产品较多，是最常用的直线电机的控制方式。可以实现开环的转矩控制及闭环位置控制的灵活切换。全部PID参数都在控制器完成，调试更简单控制器与驱动器结合策略-3缺点：与控制策略2基本类似，这里不再赘述。控制器与驱动器结合策略-4控制器中实现双闭环(位置环与速度环)，控制器负责电机换向。控制器输出两相(或三相)空间相位互差120°的电流指令信号给驱动器。驱动器工作于两相或三相电流模式，驱动器中实现电流环闭环。这种方式效果同策略3，但是支持这种功能的控制器与驱动器较少，因此应用很少。(EMAC,PMAC，ACS控制器等)控制器与驱动器结合策略-5控制器实现三闭环控制(位置环，速度环，电流环)，控制器负责电机换向。控制器输出直接PWM信号给驱动器，因此这种方式也叫直接PWM控制。驱动器是一个纯粹的PWM放大器。控制器除接收位置反馈信号外，还必须接收电流反馈信号。控制器与驱动器结合策略-5优点：所有工作都在控制器中完成，响应是最快的。能实现最复杂的控制。所有的闭环环节都在控制器内部完成，不容易引入干扰。实现超高精度的控制(纳米级)。在控制器中可以获得更多的电机相关参数及状态(电机电流，温度，相位，状态等)控制器与驱动器结合策略-5缺点：对控制器要求很高，只有极少数较高端的控制器才支持这个功能(除1型卡外的PMAC,ACS控制器)。伺服驱动器需要直接PWM驱动器，这种产品市场并不多。需要在控制器中调试更多的参数。控制器与驱动器结合策略-6总线型——工业以太网控制器与驱动器结合策略-6控制器与驱动器之间通过全数字总线相连接。每个驱动器自己就构成了1个节点(Node)，驱动器中完成三闭环(位置环，速度环及电流环)，及电机的换向。控制器输出位置指令信号给每个节点。系统中的各个环节都可以通过总线组合在一起。控制器与驱动器结合策略-6优点：可以实现非常多的轴的控制。甚至100个轴的控制。可以实现分布式控制，因为传递的是全数字总线协议，控制器与单台驱动器可以距离很远，理论最远可达100米。可以实现不同的网络拓扑结构。以太网具有100Mbps的传输速率，保证了信号在各节点间传递的及时性。控制器与驱动器接线很简单。在控制器中也能获得很多电机相关的参数及状态(同策略5)可以实现运动控制器与PLC的完美结合。控制器与驱动器结合策略-6缺点：成本高。控制器与驱动器都需要支持相同的总线协议，且驱动器要完成3闭环，需要更高的处理能力。总线协议太多，不同厂家的总线产品往往不能互换。很难实现全闭环控制。控制器与驱动器结合策略-6贝加莱，Parker等公司的POWERLINK产品。控制器与驱动器结合策略-6德国倍福，以色列ACS等公司的EtherCAT产品。控制器与驱动器结合策略-6丹纳赫公司的SynqNet产品让电机快速运动起来控制器厂商都会提供一个界面友好的运行在Windows系统的控制器配套软件。EMAC：Pro-MotionACR9000：ACR-ViewPMAC:Pewin32PROACS控制器：SPiiPlusSuite让电机快速运动起来这些软件都含有一个向导，称为配置向导。这个向导将引导我们快速配置电机轴的一系列参数，让我们的电机快速运动起来。尽管各控制器厂商提供的软件不同，但都具有一系列的共性。我们以EMAC控制器的Pro-Motion软件的配置向导为例来说明。Pro-MotionPro-Motion：电机轴配置运行配置向导Pro-Motion：电机轴配置电机选择：选择所控制的电机类型Pro-Motion：电机轴配置编码器选择(位置环反馈设置）：选择使用的反馈设备类型。Pro-Motion：电机轴配置编码器(位置环反馈测试):1：测试反馈读数是否正确2：测试电机运动方向与编码器反馈方向是否一致Pro-Motion：电机轴配置电机控制信号选择：选择与电机驱动器相匹配的控制信号Pro-Motion：电机轴配置电机输出测试：在该对