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。 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 驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令运动指令应用程序指令运动指令 负载负载 传动机构传动机构 ?开环控制系统（Open Loop) ?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 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） 驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令运动指令应用程序指令运动指令 负载负载 反馈元件反馈元件 传动机构传动机构 位置反馈 ?开环控制系统（Open Loop） ?电机：（直流伺服电机）、交流伺服电机电机：（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 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界 面 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） 反馈元件反馈元件 驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令运动指令应用程序指令运动指令 负载负载 传动机构传动机构 位置反馈 速度反馈 ?闭环控制系统（Close Loop） ?电机：直流伺服电机、交流伺服电机电机：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，人机界面上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 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） 驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令运动指令应用程序指令运动指令 负载负载 反馈元件反馈元件 传动机构传动机构 位置反馈 速度反馈 ?闭环控制系统（Close Loop） ?电机：直流伺服电机、交流伺服电机电机：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，人机界面上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 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） 反馈元件反馈元件 驱动器驱动器上位计算机上位计算机运动控制器运动控制器电机电机 应用程序指令运动指令应用程序指令运动指令 负载负载 位置反馈 速度反馈 ?闭环控制系统（Close Loop） ?电机：直线电机电机：直线电机 ?驱动器：速度反馈控制，电流放大驱动器：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，人机界面上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 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 ?常见的控制电机常见的控制电机 ?步进电机步进电机 ?永磁式：两相（永磁式：两相（7.5度）度） ?反应式：三相（反应式：三相（1.5度）度） ?混合式：两相（混合式：两相（1.8度）或五相（度）或五相（0.72度）度） ?伺服电机伺服电机 ?直流伺服电机直流伺服电机 ?交流伺服电机交流伺服电机 ?直线电机直线电机 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 步进电机 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。 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与双极连线模式 单极模式 双极模式 单极模式 双极模式 两相六线 两相四线 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（1） ?当步进电机的一相绕组（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 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 （ （通常叫 一个步距角），当另一相 （B相）绕组通电时，电机 转动至 相）绕组通电时，电机 转动至Q点点 Torque Angle IA = 1 IB = 1 PQ Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motors stator creating torque which turns the rotor. 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（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 R IA = 1IB = 1 PQ Torque Angle IA = -1 S Angle IBIA 7.201 5.4-10 3.60-1 1.810 001 IA = 1IB = 1 01.8 Torque Position 3.65.4 通常每一步为1.8，下图表示了整步运行的情况 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（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（4） ?半步运行模式: 7.201 6.3-11 5.4-10 4.5-1-1 3.60-1 2.71-1 1.810 0.911 001 Angle (deg) IBIA A相通 ? P点 B相通 ? Q点 A、B相同时通 ? H点 IA = 1 IB = 1 Both PHQ 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（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（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 = 1 IB = 1 P GQ 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 运动控制器运动控制器 脉冲脉冲 方向方向 驱动器驱动器 步进步进 电机电机 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 ?低成本低成本 ?控制简单，能直接实现数字控制控制简单，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 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，坚固耐用结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用 ?抗干扰能力强抗干扰能力强 ?无累积定位误差（无累积定位误差（一般步进电机的精度为步 进角的 一般步进电机的精度为步 进角的3-5%，且不累积，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 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，粗糙的低速特性转速不够平稳，粗糙的低速特性 ?不适合于高速运行不适合于高速运行 ?自振效应自振效应 ?高速时损耗较大高速时损耗较大 ?低效率，电机过热（机壳可达低效率，电机过热（机壳可达90） ?噪音大，特别在高速运行时噪音大，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 ，输出功率较小可选择的电机尺寸有限 ，输出功率较小 ?位置精度较低位置精度较低 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：磁场定子：磁场永磁体 转子：电枢绕组 换向：换向器与碳刷 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。 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转矩方向与电流方向的关系 Torque Current 转矩随 变化曲线图， 为线圈与磁力线的夹角。 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 替变化的。 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 替变化的。 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（方式） T M 电压 命令 电流反馈 速度放大器 电机 速度反馈 电流放大器 电压 命令 电流反馈 速度放大器 电机 速度反馈 电流放大器功率放大功率放大 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直流伺服电机的控制 驱动器驱动器运动控制器运动控制器电机电机 运动指令运动指令 负载负载 反馈元件反馈元件 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 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: ?精确的速度控制精确的速度控制 ?转矩速度特性很硬转矩速度特性很硬 ?原理简单、使用方便原理简单、使用方便 ?价格优势价格优势 ?缺点: ?电刷换向器徐周期性的维护电刷换向器徐周期性的维护 ?转子惯量较大转子惯量较大 ?速度限制速度限制 ?附加阻力附加阻力 ?产生磨损微粒产生磨损微粒(对于无尘室对于无尘室) ?解决方案解决方案：无刷电子换向电机：无刷电子换向电机 2008-3-1428 固高科技有限公司运动控制技术系列讲座 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 C I B I A I