運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) .運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器.分類(lèi)vPLCvPC+運(yùn)動(dòng)控制器 開(kāi)放式結(jié)構(gòu)固高 PMAC TRIOv專(zhuān)用控制器.PLC 定義vPLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來(lái)取代繼電器執(zhí)行邏輯、記時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。.PLC 定義v國(guó)際電工委員會(huì)（國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）頒布了對(duì)）頒布了對(duì)PLC 的規(guī)定：的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)

2、算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備都應(yīng)按易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。.PLC 結(jié)構(gòu)vPLC 分為一體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)。但它們的組成是相同的，都有CPU、I/O、內(nèi)存、電源等。v無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的PLC，都屬于總線(xiàn)式開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，其I/O 能力可按用戶(hù)需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。v一般一體式一體式在微小型PLC 中采用，其CPU 板、I/O 板、電源板等集成在一個(gè)模塊中，目的是降低成本，滿(mǎn)足用戶(hù)

3、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求，它通過(guò)擴(kuò)展電纜連接擴(kuò)展模塊。v中大型中大型PLC 對(duì)性能、容量、網(wǎng)絡(luò)、I/O 能力、可靠性等要求很高，一般采用模塊式，電源、CPU、I/O 都單獨(dú)成模塊，插在底板或機(jī)架上，構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)。.PLC 結(jié)構(gòu).PLC應(yīng)用vPLC 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前主要有三大流派，占中國(guó)市場(chǎng)份額90以上： 美國(guó)：美國(guó)：ROCKWELL、GE；歐洲：歐洲：西門(mén)子、施耐德；日本：日本：三菱、OMRON。v在大中型在大中型PLC 市場(chǎng)，市場(chǎng)，西門(mén)子占據(jù)優(yōu)勢(shì)，其次是施耐德、ROCKWELL、GE，日系品牌競(jìng)爭(zhēng)力較弱；v在微小型在微小型PLC 市場(chǎng)，市場(chǎng)，三菱、OMRON、西門(mén)子占據(jù)了絕大多數(shù)份額，其品牌份額較少。

4、.工作原理vPLC 是按循環(huán)掃描循環(huán)掃描方式運(yùn)行的。在PLC 出廠時(shí)，只有系統(tǒng)軟件，用戶(hù)必須根據(jù)工藝要求編寫(xiě)自己的用戶(hù)程序，才能實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)PLC 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)順序、循環(huán)地執(zhí)行。.PLC四種任務(wù)執(zhí)行用戶(hù)程序：系統(tǒng)順序執(zhí)行用戶(hù)程序的指令序列，從第一條主程序指令開(kāi)始，逐一執(zhí)行用戶(hù)程序的指令序列，直到執(zhí)行完主程序結(jié)束指令為止。通訊任務(wù)：與編程軟件、上位組態(tài)軟件、觸摸屏等通訊時(shí)，響應(yīng)下達(dá)的通訊命令。內(nèi)務(wù)處理：處理各種系統(tǒng)內(nèi)務(wù)，如刷新面板指示燈，更新軟件計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器值、刷新特殊中間繼電器和特殊數(shù)據(jù)寄存器。I/O 刷新：包括輸出刷新階段和輸入刷新階段。輸出刷新階段是根據(jù)Y 元件的值（ON/OFF

5、），接通或斷開(kāi)對(duì)應(yīng)的硬件輸出端口。輸入刷新階段是將硬件輸入端口的接通或斷開(kāi)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的X 元件值（ON/OFF）。.v“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”結(jié)構(gòu)有何優(yōu)點(diǎn)？v4倍頻輸入增量式編碼器信號(hào)，其中編碼器3000線(xiàn)，轉(zhuǎn)速3000r/min，那么控制器編碼器信號(hào)接口輸入信號(hào)頻率至少為多少？vPLC？PCC？PAC?vGT-400-SV四軸伺服運(yùn)動(dòng)控制器特點(diǎn)及控制軸運(yùn)動(dòng)控制方式。.v轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。v位置控制：位置控制：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，

6、也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很?chē)?yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。 .v速度模式：速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。 .伺服電機(jī)的三環(huán)控制 v伺服電機(jī)一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PI

7、D調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的最內(nèi)的PID環(huán)環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相行，通過(guò)霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快?？臁?.v第2環(huán)是速度環(huán)，通過(guò)檢測(cè)的電機(jī)編碼器的信通過(guò)檢測(cè)的電機(jī)編碼器的信號(hào)來(lái)進(jìn)行負(fù)反饋號(hào)來(lái)進(jìn)行負(fù)反饋PID

8、調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PID輸出輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話(huà)說(shuō)任何模就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話(huà)說(shuō)任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。相應(yīng)控制。 .v第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動(dòng)器可以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載

9、間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速情況來(lái)定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行了所有有3個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。態(tài)響應(yīng)速度也最慢。 .伺服電機(jī)選型問(wèn)題 v在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后，就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。v（1）選型條件：）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機(jī)需滿(mǎn)足下列情況： v 1.電機(jī)最大轉(zhuǎn)速系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速。 v 2.電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。 3.連續(xù)負(fù)載工作扭矩電機(jī)

10、額定扭矩 4.馬達(dá)最大輸出扭矩系統(tǒng)所需最大扭矩（加速時(shí)扭力）v（2）選型計(jì)算：）選型計(jì)算：v1. 慣量匹配計(jì)算（JL/JM）v2. 回轉(zhuǎn)速度計(jì)算（負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速）負(fù)載扭矩計(jì)算（連續(xù)負(fù)載工作扭矩，加速時(shí)扭矩） .伺服電機(jī)的慣性匹配問(wèn)題 v在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會(huì)碰到慣量問(wèn)題！具體表現(xiàn)為：v1在伺服系統(tǒng)選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來(lái)具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī)；v2在調(diào)試時(shí)（手動(dòng)模式下），正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由

11、為突出 .什么是“慣量匹配” v1.根據(jù)牛頓第二定律：“v進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J 角加速度v角加速度影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望的變化小，則J應(yīng)該盡量小。 .v v2.進(jìn)給軸的總慣量“J伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM 電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JLv負(fù)載慣量JL由（以工具機(jī)為例）工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)載改變

12、而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。 .步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)的性能差別 v 雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。如：1、制造精度不同；2、低頻特性不同 3、矩頻特性不同 4、過(guò)載能力不同 5、運(yùn)行性能不同 6、速度響應(yīng)性能不同。 交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。 .運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能要求v1.穩(wěn)定性v2.快速響應(yīng)性好v3.控制精度高.運(yùn)動(dòng)控制

13、系統(tǒng)任務(wù)v性能要求 選型v協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng) 完整的系統(tǒng)v選擇最佳工作條件v選擇控制算法v人機(jī)界面.如何構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)v總體方案選擇總體方案選擇v根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求和工藝要求，確定 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：開(kāi)環(huán)vs閉環(huán) 步進(jìn)電機(jī)vs伺服電機(jī) 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 直接剛性連軸器連接 減速機(jī) 同步齒型帶 運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)方式 反饋元件.如何構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)v部件選擇部件選擇v反饋元件分辨率、安裝位置v電機(jī)選擇v步進(jìn)電機(jī)：力矩大小、步距角、驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)v伺服電機(jī) ：力矩匹配、當(dāng)量匹配、慣量匹配、頻帶寬度匹配v機(jī)械傳動(dòng)減速比v運(yùn)動(dòng)控制器選擇：控制軸數(shù)、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)v應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境.如何構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

14、v傳感器分辨率傳感器分辨率v增量編碼器v 分辨率：4N/(2），N為每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)v 絕對(duì)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器v 分辨率：2n/(2)，n表示n位二進(jìn)制數(shù)v 傳感器安裝位置?電極軸端?負(fù)載.如何構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)v如何選擇一個(gè)電機(jī)？如何選擇一個(gè)電機(jī)？v選擇電機(jī)主要從下幾方面考慮： 系統(tǒng)的精度要求 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和最高速度、最高加速度要求 負(fù)載情況 慣量情況 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 初步選定電機(jī) 計(jì)算所選電機(jī)的峰值力矩和額定力矩是否滿(mǎn)足要求.如何構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)v交流伺服系統(tǒng)的選型依據(jù)當(dāng)量匹配慣量匹配力矩匹配.如何構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)v伺服系統(tǒng)選型之當(dāng)量匹配每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的機(jī)械進(jìn)給量，這里的脈沖是指實(shí)際的反饋脈沖機(jī)械傳動(dòng)方式與減速比位置分辨率vs機(jī)械進(jìn)給速度電子齒輪比.v交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用分析幾個(gè)概念定位方式系統(tǒng)精度頻帶寬度v交流伺服系統(tǒng)的整定機(jī)械系統(tǒng)的完備性由內(nèi)至外的整定方式頻帶寬度與響應(yīng)時(shí)間機(jī)械共振與定位時(shí)間.系統(tǒng)部件的選擇.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)v(1)需要確定方案，需要確定方案，根據(jù)裝置的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)要求進(jìn)行計(jì)算，確定電機(jī)類(lèi)型及驅(qū)動(dòng)器、減速器、位置檢測(cè)裝置的類(lèi)型和規(guī)格。v(2) 電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的搭配結(jié)構(gòu)。v(3) 選擇合適的系列運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制器，通常根據(jù)伺服電機(jī)、編碼器類(lèi)型和數(shù)量進(jìn)行選擇。.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)v(4)電機(jī)的負(fù)載情況