施耐德运动控制概述motion_guide

第六章. 运动控制6.1 运动控制的定义

6.2 运动控制的组成

6.2.1 同步伺服电机

6.2.2 步进电机

6.2.3 驱动器

6.2.4 控制器

6.3 运动控制系统的结构

6.4 运动控制要解决的问题

6.5 伺服电机的选型计算

6.6 典型应用

6.1 运动控制的定义

运动控制是指动作的单元以非常精确的设定速度在规定时间到达准确位置的可控运动. 运动单元的运动有如下特点:

路径: 有一个初始位置

有一个终点位置

稳定的速度和上升,下降斜率

动作: 静态和动态响应非常精确

运动响应很快

运动很稳定

位置: 有绝对位置

有相对位置

根据不同的应用工艺, 我们把运动分为有限轴运动和无限轴运动.

有限轴运动是指运动体的运动在一定范围内, 如机械手的运动在设计范围内抓取工件. 无限轴运动是指运动体连续不断的向一个方向运动,没有边界. 如传送带的运动.

6.2 运动控制的组成

运动控制的组成离不开以下4个单元,如图:

运动控制器: 控制运动按照设定的轨迹动作,不断计算位置和速度的匹配

驱动器: 把普通电能转化为向电机提供运动的动力

电机: 产生对负载推动的扭矩

位置传感器: 提供电机轴实时的位置和速度

所以, 运动控制要完成可控的动作, 主要对3个变量进行控制.

即: 电机的力矩, 速度, 位置

如图所示

6.2.1 同步伺服电机

首先让我们看一下运动控制中的执行器: 伺服电机

电机是把电枢电流转化为电机轴输出力矩的一种装置.

从技术角度, 我们通常把电机分为异步电机, 同步电机和步进电机. 从运动形式来分,可分为旋转电机和直线电机。如图所示：

在运动控制系统中，用到的电机通常为同步无刷电机。

6.2.1.2 无刷伺服电机的工作原理：

集成有位置编码器的电机（位置测量）,其转子是永久磁铁, 定子是与异步电机一样的线圈绕组.

当定子线圈通上交变电流, 就会在转子周围产生旋转磁场,而转子的磁场就会与定子产生的磁场相互作用, 驱动器根据位置反馈情况, 来调整定子磁场,使转子磁场与定子磁场成90度角,使力矩最大.

同时,位置传感器测量出电机轴的旋转角度. 这里,转子的磁场是恒定的(由永久磁铁产生). 而定子的磁场是变化的, 它取决于通到线圈绕组电流的变化频率. 这样转子的转动就跟随着定子的旋转磁场一起运动. 即转子与旋转磁场同步.

集成的位置传感器一般为电压分解器形式, 耐用且够一定精度.

6.2.1.3 同步伺服电机的特性

电机的输出力矩与定子电流( Is )成正比

T=C1x Is C1: 为常数

电机的转速与定子电流的频率(Freq.Is)成正比

S=C2 x Freq.Is C2: 为常数

电机在一定重量下,力矩的大小取决于转子的磁性材料的特性,如磁性材料为钕铁硼,或钐钴等.

从上式可以看出, 磁通量越大, 轴输出力矩也越大.

力矩/速度曲线,电机与驱动器组合

通过力矩/速度曲线, 我们可以看出无刷伺服电机,有着低速高转矩,高过载力矩的特性.

因此,这种电机能够胜任高精度,高动态响应的运动任务.

6.2.2 步进电机.

步进电机原理: 步进电机的定子是带有若干对磁极的永久磁铁. 定子是至少有两相绕组的线圈. 当一个绕组线圈通电时,产生磁场,转子被吸到一个磁极, 当另一个绕组通电时,产生另一个磁场,把转子吸到另一个磁极, 就这样定子线圈分步通电, 转子就被吸着一步一步转动了. (如图所示)

所以,步进电机不需要位置反馈. 运动方式是开环的.

6.2.3 位置传感器

位置传感器集成在电机轴上,用来反馈电机旋转的位置和速度.

通常有3种位置传感器

1.电压分解器型

2.增量编码器型

3.绝对编码器型

位置传感器的特性由3个参数来定义, 这3个参数是:

分辨率, 精度和一致性

分辨率是指测量一个位置的最小单元. 通常是一转多少脉冲。

所以，编码器的分辨率取决于一转多少个脉冲。（例如，编码器分辨率=1024个脉冲/每转）分辨率越高，可以达到的精度就越高。

精度：是指实际位置与测量位置的偏差值。（单位是弧分）

如果速度源自于位置值，则精度影响速度的测量值。

一致性：是指每个周期，编码的重复精度是否一致。

这个例子显示，精度很低，但一致性很好。

6.2.3.1: 电压分解器型位置传感器

电压分解器型位置传感器是一种旋转变压器,它在励磁线圈的激励下,产生正弦,余弦信号, 然后再把正,余弦信号从模拟量转化为数字量, 从而提供出输出轴的绝对位置.

6.2.3.2: 增量编码器型位置传感器

增量编码器通常在旋转时产生两路信号, 这两路信号记录了旋转的脉冲数, 同时由于两路信号相差90度,可以辨别旋转的方向. 第三路信号是一转只产生一个信号的零度标志信号.

6.2.3.3: 绝对编码器型位置传感器

绝对位置编码器有很多组码盘,它可以定义电机轴一圈或多圈中的每一个位置. 如图所示:

通过机械联接,可以把一个个码盘连接起来,这样就可以对多圈位置进行定义,组成多圈绝对编码. 这些编码存储起来,通过串行通讯发送出来.

6.2.4 驱动器

驱动器的作用: 用来控制速度并提供电机所需交变电流.

驱动器原理: 通过功率变换单元,驱动器调节电机的电流和速度,同时,如有控制器集成在驱动器里,它也可控制电机的位置.