運動控制緒論

1、1運動控制北京郵電大學北京郵電大學 自動化學院自動化學院葉葉 平平Email: Tel: 010-611982092運動控制運動控制在機器人、工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用在機器人、工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用工業(yè)機器人工業(yè)機器人汽車制造汽車制造醫(yī)藥制造醫(yī)藥制造特點特點基座固定基座固定多關(guān)節(jié)機械手多關(guān)節(jié)機械手34567仿人機器人-NAO89仿人機器人10 PETMAN11Atlas 12仿生機器人13仿生機器人1415161718移動機器人移動機器人1920v地面常見的運動形式 輪式、履帶式、腿式運動（雙足行走，多足行走）v常見的特殊運動形式：自平衡車、飛行、水里游動等21電機與運動v 機器人的運動，就是通過控制電機的

2、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，來機器人的運動，就是通過控制電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，來實現(xiàn)。實現(xiàn)。v 機器人的運動控制問題機器人的運動控制問題 電機控制問題電機控制問題 電機控制的三個層面電機控制的三個層面v 速度控制：速度控制：通過電機控制速度實現(xiàn)機器人的運動速度通過電機控制速度實現(xiàn)機器人的運動速度v 位移控制：位移控制：通過控制電機轉(zhuǎn)過的角度實現(xiàn)機器人的運通過控制電機轉(zhuǎn)過的角度實現(xiàn)機器人的運動位移。動位移。（移動機器人）（移動機器人）v 電流控制：電流控制：通過控制電機的電流實現(xiàn)機器人力或力矩通過控制電機的電流實現(xiàn)機器人力或力矩的輸出的輸出（工業(yè)機器人（工業(yè)機器人 加工加工/裝配）裝配）22v機器人常用的驅(qū)動電機v

3、直流電機v步進電機v無刷電機v交流電機2324v通過控制電機的運動實現(xiàn)對機器人的控制。通過控制電機的運動實現(xiàn)對機器人的控制。運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)對電機的控制？如何實現(xiàn)對電機的控制？25什么是運動控制系統(tǒng)？ 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)26自動控制自動控制是指在是指在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下，利的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器控制器），），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象被控對象）的）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量被控量）自動地按

4、照）自動地按照預定的規(guī)律運行。預定的規(guī)律運行。工業(yè)自動化工業(yè)自動化過程控制：針對六大參數(shù)控制，時間常數(shù)較大。過程控制：針對六大參數(shù)控制，時間常數(shù)較大。運動控制運動控制：針對機械運動過程，時間常數(shù)小。：針對機械運動過程，時間常數(shù)小。溫度、壓力、流量、液位等 速度、力/力矩等 27運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)的任務(wù)：的任務(wù)： 通過控制電機通過控制電機電壓電壓、電流電流、頻率頻率等輸入量，來改變工等輸入量，來改變工作機械的作機械的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩、速度速度、位移位移等機械量，使各種工作機械按等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用的需求。人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用的需

5、求。伺服控制：高精度、高速度的運動控制28運動控制及其相關(guān)學科29機械負載機械負載執(zhí)行電機執(zhí)行電機測量反饋測量反饋控制器控制器驅(qū)動器驅(qū)動器30運動控制系統(tǒng)及其組成PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器數(shù)字控制器（數(shù)字控制器（PC、PLC、DSP）PWM變換變換器器步進電機步進電機直流電機直流電機 交流電機交流電機31 主控制器主控制器/運動控制器：運動控制器：PC/PLC/DSP 功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置 執(zhí)行電機執(zhí)行電機 傳感器傳感器開環(huán)控制、開環(huán)控制、閉環(huán)控制閉環(huán)控制32單軸運動控制系統(tǒng)33多軸運動控制系統(tǒng)34運動控制及其相關(guān)學科35運動控制系統(tǒng)的分類運動控制系統(tǒng)的分類按按執(zhí)行電機執(zhí)行電機： 傳動

6、系統(tǒng)用直流電機帶動生產(chǎn)機械傳動系統(tǒng)用直流電機帶動生產(chǎn)機械 傳動系統(tǒng)用交流電機帶動生產(chǎn)機械傳動系統(tǒng)用交流電機帶動生產(chǎn)機械按按被控物理量被控物理量： 調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量 位置隨動位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）以位移為被控量系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）以位移為被控量 按按控制器的類型控制器的類型： 模擬模擬控制系統(tǒng)以模擬電路構(gòu)成控制器控制系統(tǒng)以模擬電路構(gòu)成控制器 數(shù)字數(shù)字控制系統(tǒng)以數(shù)字電路構(gòu)成控制器（控制系統(tǒng)以數(shù)字電路構(gòu)成控制器（PC、PLC、DSP）36M-+TG-+指令輸入位置輸出V+V-功放模擬控制系統(tǒng)37運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 運動方程：運動方程： 式中

7、：式中： J 機械轉(zhuǎn)動慣量機械轉(zhuǎn)動慣量 Te 電機電磁轉(zhuǎn)矩電機電磁轉(zhuǎn)矩 TL 電機軸負載轉(zhuǎn)矩電機軸負載轉(zhuǎn)矩 GD2 飛輪力矩飛輪力矩 轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題電動機工作機械eTnLT2mddd375deLGDnTTJtt 38生產(chǎn)機械的負載特性生產(chǎn)機械的負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載恒轉(zhuǎn)矩負載恒功率負載恒功率負載二次方降轉(zhuǎn)矩負載二次方降轉(zhuǎn)矩負載39學習目標學習目標 掌握自動控制系統(tǒng)中掌握自動控制系統(tǒng)中常用伺服電機的工作原理及其驅(qū)常用伺服電機的工作原理及其驅(qū)動技術(shù)動技術(shù) 重點是重點是直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)：以直流電動機為對象組成的運：以直流電動機為對象組成的運動控制系統(tǒng)，動

8、控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、電流雙轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的基本組成和控制規(guī)律，靜態(tài)、動的基本組成和控制規(guī)律，靜態(tài)、動態(tài)性能分析，直流調(diào)速系統(tǒng)的態(tài)性能分析，直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法工程設(shè)計方法等。等。 交流永磁同步電機及其矢量控制。交流永磁同步電機及其矢量控制。 伺服系統(tǒng)及其設(shè)計等。伺服系統(tǒng)及其設(shè)計等。40課程參考書籍課程參考書籍 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) 阮阮 毅毅 陳伯時陳伯時 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 第四版第四版 現(xiàn)代電機控制技術(shù)現(xiàn)代電機控制技術(shù) 王成元王成元 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 微