固高運動控制技術(shù)基礎(chǔ)

運動控制技術(shù)基礎(chǔ) 運動控制系統(tǒng)概述 什么是運動控制 簡單地講 運動控制就是通過機械傳動裝置對運動部件的位置 速度進(jìn)行實時的控制管理 使運動部件按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運動參數(shù) 如速度 加速度參數(shù)等 完成相應(yīng)的動作 運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成 開環(huán)控制系統(tǒng) OpenLoop電機 步進(jìn)電機驅(qū)動器 脈沖分配 電流放大運動控制器 運動規(guī)劃 位置脈沖指令上位計算機 運動代碼生成 應(yīng)用程序 人機界面 運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成 續(xù)1 開環(huán)控制系統(tǒng) OpenLoop 電機 直流伺服電機 交流伺服電機驅(qū)動器 電流放大 位置反饋控制運動控制器 運動規(guī)劃 位置脈沖指令上位計算機 運動代碼生成 應(yīng)用程序 人機界面 傳動機構(gòu) 位置反饋 運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成 續(xù)2 閉環(huán)控制系統(tǒng) CloseLoop 電機 直流伺服電機 交流伺服電機驅(qū)動器 速度反饋控制 電流放大運動控制器 運動規(guī)劃 速度指令 位置反饋取自電機軸上位計算機 運動代碼生成 應(yīng)用程序 人機界面 運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成 續(xù)3 閉環(huán)控制系統(tǒng) CloseLoop 電機 直流伺服電機 交流伺服電機驅(qū)動器 速度反饋控制 電流放大運動控制器 運動規(guī)劃 速度指令 位置反饋取自負(fù)載上位計算機 運動代碼生成 應(yīng)用程序 人機界面 運動控制系統(tǒng)的典型構(gòu)成 續(xù)4 閉環(huán)控制系統(tǒng) CloseLoop 電機 直線電機驅(qū)動器 速度反饋控制 電流放大運動控制器 運動規(guī)劃 速度指令 位置反饋取自負(fù)載上位計算機 運動代碼生成 應(yīng)用程序 人機界面 閉環(huán)控制的幾種形式 運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成部件 上位計算機 PC機運動控制器專用運動控制器開放式結(jié)構(gòu)運動控制器驅(qū)動器 全數(shù)字式驅(qū)動器電機步進(jìn)電機伺服電機 直流伺服電機 交流伺服電機 直線電機反饋元件位置反饋元件 角度 位移速度反饋元件傳動機構(gòu) 齒型帶 減速器 齒輪齒條 滾珠絲杠 電機控制基本知識 常見的控制電機步進(jìn)電機永磁式 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 伺服電機直流伺服電機交流伺服電機直線電機 步進(jìn)電機的工作原理 步進(jìn)電機是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機電執(zhí)行元件 單極與雙極連線模式 步進(jìn)電機的工作原理 續(xù)1 當(dāng)步進(jìn)電機的一相繞組 A相 通電時 產(chǎn)生力矩使電機轉(zhuǎn)動至位置P 通常叫一個步距角 當(dāng)另一相 B相 繞組通電時 電機轉(zhuǎn)動至Q點 Figure Rotationinasteppermotorisgeneratedbyalternatelyenergizingandde energizingthepolesinthemotor sstatorcreatingtorquewhichturnstherotor 步進(jìn)電機的工作原理 續(xù)2 當(dāng)A相繞組反相通電時 電機轉(zhuǎn)到R點 當(dāng)B相繞組反相通電時 電機轉(zhuǎn)動至S點 步進(jìn)電機的工作原理 續(xù)3 單極整步運行圖雙極整步運行圖 步進(jìn)電機的工作原理 續(xù)4 半步運行模式 A相通 P點B相通 Q點A B相同時通 H點 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 步進(jìn)電機的工作原理 續(xù)5 單極半步運行 雙極半步運行 步進(jìn)電機的工作原理 續(xù)6 微步運行模式 細(xì)分運行模式電機旋轉(zhuǎn)的位置隨A相和B相繞組中的電流的比例而變化 步進(jìn)電機的控制 步進(jìn)電機的優(yōu)點 低成本控制簡單 能直接實現(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)簡單 無換向器和電刷 堅固耐用抗干擾能力強無累積定位誤差 一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3 5 且不累積 步進(jìn)電機的缺點 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)載慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量比低的運行情況 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行自振效應(yīng)高速時損耗較大低效率 電機過熱 機殼可達(dá)90 噪音大 特別在高速運行時當(dāng)出現(xiàn)滯后或超前振蕩時 幾乎無法消除可選擇的電機尺寸有限 輸出功率較小位置精度較低 直流伺服電機工作原理 通電線圈與磁場的相互作用產(chǎn)生了伺服電機的轉(zhuǎn)矩 直流伺服電機工作原理 續(xù)1 定子 磁場 永磁體轉(zhuǎn)子 電樞繞組換向 換向器與碳刷 加于直流電機的直流電源 借助于換向器和電刷的作用 使直流電機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 確保直流電動朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn) 直流伺服電機工作原理 續(xù)2 轉(zhuǎn)矩方向與電流方向的關(guān)系 為確保直流電動機朝確定的方向連續(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角 直流電動機的換向 電流的換向是由電刷和換向器共同完成的 直流電機驅(qū)動 驅(qū)動器電源放大器通常接受 的模擬電壓信號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 直流伺服電機的控制 運動控制器 速度指令 位置反饋取自電機軸驅(qū)動器 速度反饋控制 或許電流反饋控制 電流放大 直流伺服電機的優(yōu)缺點 優(yōu)點 精確的速度控制轉(zhuǎn)矩速度特性很硬原理簡單 使用方便價格優(yōu)勢缺點 電刷換向速度限制附加阻力產(chǎn)生磨損微粒 對于無塵室 解決方案 無刷電子換向電機 2020 4 21 28 交流伺服電機 無刷電機 改變電機的結(jié)構(gòu) 磁極作轉(zhuǎn)子 線圈作定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 需要測量磁場磁力線與線圈的夾角霍爾傳感器可以測量轉(zhuǎn)子的磁場通常的結(jié)構(gòu) 三相電機三個霍爾傳感器 交流伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖 2020 4 21 30 交流伺服電機工作原理 續(xù) 電子換相 VS電刷換向 磁極位置檢測 2020 4 21 31 霍爾傳感器 將3個霍爾傳感器裝再定子上 各相差120度 不是空間角度 均布在電機一端 2020 4 21 32 如何放置霍爾傳感器 假設(shè)轉(zhuǎn)矩曲線為梯形曲線 2020 4 21 33 三相電流和力矩的關(guān)系 每一相有三個階段 正向電流 1 3時間負(fù)向電流 1 3時間沒有電流 1 3時間在三相中 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斷開另一相 2020 4 21 34 驅(qū)動器 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) 一個上邊的 奇 晶體管導(dǎo)通 同時一個下邊的 偶 晶體管導(dǎo)通 驅(qū)動器 放大器 工作原理 續(xù) 2020 4 21 36 伺服放大器結(jié)構(gòu)框圖 2020 4 21 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 4 21 38 電流PWM控制 續(xù) 低噪音模式 2020 4 21 39 電流輸出 幾種交流伺服電機 電子換向 利用霍爾元件檢測到轉(zhuǎn)子磁場變化 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 對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極利用上述原理控制的電機稱為直流無刷電機交流伺服電機是直流無刷電機無位置傳感器原理 電機每轉(zhuǎn)一周 每一相的反電動勢過零兩次 而電機換流時刻與反電動勢過零時刻有固定的對應(yīng)關(guān)系 因此可以得到換流時刻 交流伺服驅(qū)動器的換向 DrivewithHallsensor EncoderorResolverforcommutationandFeedback 交流伺服驅(qū)動器的換向 續(xù)1 DrivewithCommutatingEncoder 交流伺服驅(qū)動器的換向 續(xù)2 DrivewithResolver 交流伺服電機的控制 運動控制器 位置反饋 驅(qū)動器 交流伺服電機 運動控制器 產(chǎn)生速度控制信號驅(qū)動器 速度反饋控制 電子換向 速度指令 速度反饋與換向信號 光電編碼器 交流伺服電機的優(yōu)點 良好的速度控制特性 在整個速度區(qū)內(nèi)可實現(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 額定運行區(qū)域內(nèi) 實現(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)境慣量低價格具有競爭性 交流伺服電機的缺點 控制較復(fù)雜驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)整定需要更多的連線 驅(qū)動器 步進(jìn)電機驅(qū)動器 Indexer 接受脈沖信號控制繞組電流 環(huán)形分配器伺服電機驅(qū)動器模擬式 通?？煽刂齐姍C的速度和力矩數(shù)字式 可控制電機的速度和力矩 也可直接控制電機的位置 模擬伺服驅(qū)動器 數(shù)字伺服驅(qū)動器 運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件 光電式位置檢測元件旋轉(zhuǎn)式光電編碼器 電機位置 速度和換相信號 光柵尺 負(fù)載位置 運動控制系統(tǒng)中的反饋檢測元件 續(xù) 霍爾傳感器 HallEffectSensor 產(chǎn)生電機換相信號測速發(fā)電機 Tachometer 產(chǎn)生電機速度信號旋轉(zhuǎn)變壓器 Resolver 產(chǎn)生電機位置信號 2020 4 21 53 編碼器分類與功能 分類直線位移式 光柵尺 VS旋轉(zhuǎn)式編碼器絕對式VS增量式功能電機轉(zhuǎn)子位置檢測電機速度檢測電機轉(zhuǎn)子磁極位置檢測 a RotaryIncrementalOpticalEncoder 編碼系統(tǒng) 檢測實際速度值和 或?qū)嶋H位置 旋轉(zhuǎn)式編碼系統(tǒng) 絕對值編碼器 增量編碼器 旋轉(zhuǎn)變壓器 sin cos光信號 方波脈沖編碼器 兩極 多極 HTL TTL 絕對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絕對值編碼器基于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 有增量信號 EnDatSSIPROFIBUS EnDatSSIPROFIBUS EnDatSSI EnDatSSI 方波信號增量編碼器 2020 4 21 56 編碼器信號種類 A B Z相信號 A B相為正交信號 單端 差動輸出 TTL方波 正旋波輸出 2020 4 21 57 編碼器信號接口 集電極開路輸出 OC 差動輸出 Sin Cos光電編碼器 Vpp 1V 2020 4 21 59 絕對位置編碼器 上電讀取絕對位置工作時按增量式編碼器 使用增量信號的絕對值編碼器 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器 最常用的機械傳輸方式 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器擺線及外擺線轉(zhuǎn)減速器諧波驅(qū)動正切絲杠減速器或格立森 Gleason 齒輪 旋轉(zhuǎn)到直線運動的轉(zhuǎn)換齒型帶齒輪齒條金屬帶滾珠絲杠 各種傳動方式的比較 齒型帶 價格便宜 反應(yīng)慢 應(yīng)用于控制帶寬窄的場合齒輪減速器 間隙較大 擺線和外擺線齒輪減速相齒隙較小 但價格貴諧波齒輪減速箱 體積小 傳動比大 齒隙小 但價格較貴 剛性不高正切絲杠減速器 應(yīng)用場合有限 不是合低速時使用 潤滑要求高 效率低齒輪齒條 傳動行程長 但反向間隙較大 非線性因素 易引起系統(tǒng)振蕩 各種傳動方式的比較 續(xù) 滾珠絲杠 可以適合多種情形的傳動 精度高 齒隙較小 可以達(dá)到較高的速度 但對大行程的傳動不合適 抗彎抗扭的剛性和慣量限制了電機選型和系統(tǒng)控制帶寬總的說來 直線電機是高性能直線運動的最佳控制方式 Backlashiscausedbyspaceof play betweencontactingsurfacesinballscrews gears beltdrives andotherlinearmotiondevices 直線電機同其他傳動方式比較 滾珠絲杠 齒行帶和