老师期末复习运动控制讲课要点

运动控制技术

一、什么是运动控制系统，它由什么组成？

运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive）。它是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科

二、什么是机床的数字控制

以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作。将数字代码输入机床的数字控制装置（即控制机床的专用计算机）中去，经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成上述空间直线段的加工。用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床”或“NC机床”。（Numerically Controlled Machine Tool）

轮廓加工控制：不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。在允许的误差范围内,从微观上看,用沿直线（精确地说沿逼近函数）的各轴最小单位移动量合成的分段运动来代替曲线运动，从而加工出轮廓。

基本名词术语：1.点位控制：控制点到点的距离；2.轮廓控制：控制轮廓加工，实时控制位移和速度；3. 分辨率：闭环数控机床的最小监测单位，也叫设定单位。它代表了数控系统和数控机床的精度。4、脉冲当量：数控系统中，一个指

令脉冲代表的位移量(开环)；5、插补:数据密化,用已知线型（已有插补轨迹）代替未知线型。6、直线插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是直线的，称为直线插补。7、圆弧插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是圆弧的，称为圆弧插补；

三、什么是开放式数控系统？及开放式数控系统的特点是什么？

IEEE（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式数控系统的：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”

一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征：1、即插即用(plug&play):数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力，以满足具体控制功能要求。2、可移植性(portability):功能模块可运行于不同的控制系统内。3、可扩展性(expandability):功能相似、接口相同的模块之间可相互替换，有随技术进步而更新硬软件的可能。4可缩放性(scalability):控制系统的大小（模块的数量与实现）可根据具体的应用增减，成为规模化系列产品。5、互操作性(interoperability):模块之间能相互协作(交换数据)，容易实现和其他自动化设备互连。因此，一个完全开放的数控系统应该是：以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的。以下是二轴开放式运动控制系统的硬件结构图。

四、伺服电机的三种控制方式是什么？

一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式；转矩控制方式；位置控制方式。转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电

机轴对外的输出转矩的大小。

位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。

速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。

五、伺服电机的三环控制

伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。

六、怎样进行伺服电机的选型？

在选择好机械传动方案以后，就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认。（1）选型条件：一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况：

1.马达最大转速＞系统所需之最高移动转速。

2.马达的转子惯量与负载惯量相匹配。

3连续负载工作扭力≦马达额定扭力

4.马达最大输出扭力＞系统所需最大扭力（加速时扭力）

（2）选型计算：

1. 惯量匹配计算（JL/JM）

2. 回转速度计算（负载端转速，马达端转速）负载扭矩计算（连续负载工作扭矩，加速时扭矩）

七、步进电机和交流伺服电机的性能差别是什么？

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。如：1、制精度不同；2、低频特性不同 3、矩频特性不同 4、过载能力不同 5、运行性能不同 6、速度响应性能不同。

交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

八、网络伺服的特点是什么？具有网络功能的嵌入式运动控制器体系结构是什么？

网络伺服的特点是：1、类似Internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结构；2、对用户来说，只有一组数据和一个程序，