运动控制系统架构图
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运动控制系统的组成
运动控制系统的组成
按照伺服机构的能源供给方式来划分，运动控制系统可以分为电动控制系统、气动控制系统和液压控制系统三种。
其中，液压伺服机构和气动伺服机构适用于要求防爆且输出力矩较大，控制精度要求较低的场合。
近年来，随着大功率力矩电机的出现，电动伺服机构的应用范围得到了进一步的拓展。
按照被控制量的性质来划分，运动控制系统可以分为位置控制系统、速度控制系统、加速度控制系统、同步控制系统、力矩控制系统等类型。
位置控制是将负载从某一确定的空间位置按照一定的轨迹移动到另一空间的位置，例如数控机床、搬运机械手和工业机器人。
速度控制和加速度控制是使负载按照某一确定的速度曲线进行运动，例如电梯通过速度和加速度调节实现平稳升降和平层。
很多速度控制系统的控制目标也包括位置，例如电梯控制系统，因此，速度控制在很多情况下是与位置控制等相互配合来工作的。
力矩控制系统是通过转矩的反馈来使输出转矩保持恒定或按某一规律变化，应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
典型的运动控制系统如下图所示：
典型的运动控制系统结构图
根据伺服机构和机械装置运行情况是否反馈至控制器，运动控制系统又可。
【PPT】什么是运动控制系统.
运动控制系统的发展过程及应用（续）
早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机可以弥补直流电机的不 足，加之世界范围的能源短缺，人们又开始了新一轮的交流调速的 研究。仅对占传动总量三分之一强的风机、水泵设备而言，如果改 恒速为调速的话，就可节节电30%左右。近三四十年来，随着电力 电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的 开发创造了有利的条件，使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳 速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了 产品的系列化，从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前 交流调速系统已占据主导地位。 当今社会，运动控制系统的应用已相当普及，不论是民用还是军 用。在工厂、农村以及大多数家庭中，到处可以看到以电动机为动 力的各种生产机械或家用电器。例如：轧钢厂的连轧机，加工车间 的切削机床，造纸厂的纸机，纺织厂的纺织机，化工厂的搅拌机和 离心机，搬运场的起重机和传送带，矿山的卷扬机，田间的抽水泵， 家庭中的冰箱、空调、洗衣机以及电脑等。
图0.1 运动控制系统的基本结构
图中的三个主要组成部分是构成运动控制系统所必需的，而 且也是变化多样的。任何一部分微小的变化都可构成不同的 运动控制系统，这些不同系统的共性和特点以及它们的分析 和设计方法就是本课程研究的主要内容。我们把每一部分可 能的变化列于表0.1中。
表中各部分的不同组合，可以构成不同的运动控制系统。电动机部分、功率驱动部分 和控制器中的大部分内容分别在其他课程中有介绍，但它们组合成完整的运动控制系统以 后，有哪些新的控制要求，如何分析系统的性能，如何设计控制器使系统达到较高的性能 指标，在实际应用中存在哪些具体问题，以及如何解决等，这些都是个课程要解决的问题。
0.1 什么是运动控制系统
按中国大百科全书的解释，运动是物质的固有性质和 存在方式，是物质所固有的根本属性．没有不运动的物 质，也没有离开物质的运动、这是基于哲学的解释。与 中文“运动”对应的英义词汇有“movment”和 “motion”，按照大英百科全书的解释，运动是一个物 体相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置的变 化、这是基于运动学的定义。运动涉及宇宙万物、大到 遥远的天体，小到物质内部的质子和电子，对这些运动 的研究覆盖了整个科学技术领域。 本课程所指的运动(motion)和运动控制系统(motion control system)是近10多年来在国际上流行的一个技术 术语，它源于一种狭义的、约定俗成的共识，即它的主 要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动 力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。
运动控制及其相关技术架构V0.4(初级)
运动控制及其相关 技术架构
内容提纲
• 一、工业自动化与运动控制 • 二、运动控制类型、应用和系统组成 • 三、运动控制目标参数与数据流程 • 四、运动控制器产品线和技术线分析
• 五、运动控制器的硬件架构
• 六、运动控制器的软件架构
一、工业自动化与运动控制
工业自动化的概念
工业控制自动化技术是一种运用
运动控制
数据采集
运动控制的范畴
狭义的运动控制： 电机的控制
普通电机+变频器 步进电机+驱动器 伺服电机+驱动器 ……
广义的运动控制： 控制器 驱动 电机 传动机构
运动控制的概念
运动控制技术是一门结合了电机学、 自动控制学、 电气技术、 机电一体化技术、 计算机控制技术的综合技术。 在生产实际中，使用运动控制技术/设备，能够解决各种复杂 的定位控制问题，因此它在设备自动化领域得到了广泛的 应用。
USB、 RS232
指令体系与协议
闭环算法
DSP+FPGA平台 速度前瞻 PCI总线 底层驱动技术 插补算法 运控基础技术 ISA总线 总线技术 PC平台 平台与架构技术 专用运控芯片 运动控制算法 集成技术 接口保护 可靠性技术 电磁兼容 工艺集成
运动控制器技术路线示意图
运动控制器技术的层次
硬件层： CPU（单片机、DSP、FPGA等） 存储（FLASH、SRAM等） 接口技术 驱动层： 固件（单片机、DSP、FPGA等） 设备驱动（DRV） 动态连接库（DLL） 应用层： 系统集成（设备工艺）
状态缓冲器 R00 R0 R1 R2 R3 R4
D_IN
硬缓冲DW3 硬缓冲DW4 硬缓冲DW5 硬缓冲DW6
10、硬件微指令FIFO
内容提纲
• 一、工业自动化与运动控制 • 二、运动控制类型、应用和系统组成 • 三、运动控制目标参数与数据流程 • 四、运动控制器产品线和技术线分析
• 五、运动控制器的硬件架构
• 六、运动控制器的软件架构
一、工业自动化与运动控制
工业自动化的概念
工业控制自动化技术是一种运用
运动控制
数据采集
运动控制的范畴
狭义的运动控制： 电机的控制
普通电机+变频器 步进电机+驱动器 伺服电机+驱动器 ……
广义的运动控制： 控制器 驱动 电机 传动机构
运动控制的概念
运动控制技术是一门结合了电机学、 自动控制学、 电气技术、 机电一体化技术、 计算机控制技术的综合技术。 在生产实际中，使用运动控制技术/设备，能够解决各种复杂 的定位控制问题，因此它在设备自动化领域得到了广泛的 应用。
USB、 RS232
指令体系与协议
闭环算法
DSP+FPGA平台 速度前瞻 PCI总线 底层驱动技术 插补算法 运控基础技术 ISA总线 总线技术 PC平台 平台与架构技术 专用运控芯片 运动控制算法 集成技术 接口保护 可靠性技术 电磁兼容 工艺集成
运动控制器技术路线示意图
运动控制器技术的层次
硬件层： CPU（单片机、DSP、FPGA等） 存储（FLASH、SRAM等） 接口技术 驱动层： 固件（单片机、DSP、FPGA等） 设备驱动（DRV） 动态连接库（DLL） 应用层： 系统集成（设备工艺）
状态缓冲器 R00 R0 R1 R2 R3 R4
D_IN
硬缓冲DW3 硬缓冲DW4 硬缓冲DW5 硬缓冲DW6
10、硬件微指令FIFO
运动控制系统设计 ppt课件
PLC –结构
ppt课件
7
ppt课件
8
ppt课件
9
ppt课件
10
ppt课件
11
PLC应用
PLC 国内市场目前主要有三大流派，占中 国市场份额90％以上： 美国：ROCKWELL、GE；欧洲：西门 子、施耐德；日本：三菱、OMRON。 在大中型PLC 市场，西门子占据优势，其 次是施耐德、ROCKWELL、GE，日系品 牌竞争力较弱； 在微小型PLC 市场，三菱、OMRON、西 门子占据了绝大多数份额，其品牌份额较 12 ppt课件 少。
ppt课件 40
开环控制-步进电机
步距角的选择 静力矩的选择 电流的选择
ppt课件
41
开环控制-步进电机-驱动器
双极性恒流斩波技术
ppt课件
42
36
交流伺服系统的应用分析 几个概念 定位方式 系统精度 频带宽度 交流伺服系统的整定 机械系统的完备性 由内至外的整定方式 频带宽度与响应时间 机械共振与定位时间 ppt课件
37
系统部件的选择
ppt课件
38
运动控制系统设计
(1)需要确定方案，根据装置的运动和力学 要求进行计算，确定电机类型及驱动器、 减速器、位置检测装置的类型和规格。 (2) 电机和传动机构的搭配结构。 (3) 选择合适的系列运动控制器，通常根 据伺服电机、编码器类型和数量进行选择。
ppt课件 22
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。
6.3运动控制系统模型沐风教学
点滤波器。
数字控制器 延迟的影响 1、采样-保持延迟 用于存储数据
计算延迟，由于执行控制律需要时间 速度估计延迟由位置估计速度产生的
9
Z域 Z的定义为 esT ,1/ z是也es就T , 是延迟运算。 从最严格意义上来说，s域用于连续系统，z域用于采 样系统。
z esT |s j 1T
10
11
低通滤波器的主要缺点是它会给控制系统带来不稳定性，这 种不稳定性是通过引起增益穿越频率处的相位滞后引入的。
18
控制系统中常见的7种滤波器
低通滤波器 低通滤波器能衰减所有高于特定频率的信号。
一阶低通滤波器
T单极点
S
S
K K
二阶低通滤波器 陷波滤波器 双二阶滤波器
19
T双极点
S
=
S2
N2 2N
S
N2
PID控制器的开环Bode图 (55oPM，8.5dB GM)
前馈 前馈是利用有关对象的知识来改善指令信号的响应。 在前馈路径中，指令信号在控制律之前经过处理，采用前 馈时指令响应不再依赖于控制回路带宽。
基于对象的前馈
16
指令响应Bode图表明前馈增大了系统带宽
17
滤波器
滤波器广泛应用于控制系统，用来消除噪声、减小混叠、衰 减谐振。控制系统中最常见的滤波器是低通滤波器，它们用来 消除来自于不同噪声源的噪声：电气互连（干扰）、分辨率限 制、电磁干扰(EMI)以及反馈装置中的固有噪声。
7
PI控制系统
PI控制律,比例项提供稳定性与高频响应,积分项确保 平均误差趋向于0； 功率变换器模型是一个低通滤波器，通常为二极点低 通滤波器； 被控对象一般为积分器G/s=G/(j2π f)=-jG/(2π f)，j的增
数字控制器 延迟的影响 1、采样-保持延迟 用于存储数据
计算延迟，由于执行控制律需要时间 速度估计延迟由位置估计速度产生的
9
Z域 Z的定义为 esT ,1/ z是也es就T , 是延迟运算。 从最严格意义上来说，s域用于连续系统，z域用于采 样系统。
z esT |s j 1T
10
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低通滤波器的主要缺点是它会给控制系统带来不稳定性，这 种不稳定性是通过引起增益穿越频率处的相位滞后引入的。
18
控制系统中常见的7种滤波器
低通滤波器 低通滤波器能衰减所有高于特定频率的信号。
一阶低通滤波器
T单极点
S
S
K K
二阶低通滤波器 陷波滤波器 双二阶滤波器
19
T双极点
S
=
S2
N2 2N
S
N2
PID控制器的开环Bode图 (55oPM，8.5dB GM)
前馈 前馈是利用有关对象的知识来改善指令信号的响应。 在前馈路径中，指令信号在控制律之前经过处理，采用前 馈时指令响应不再依赖于控制回路带宽。
基于对象的前馈
16
指令响应Bode图表明前馈增大了系统带宽
17
滤波器
滤波器广泛应用于控制系统，用来消除噪声、减小混叠、衰 减谐振。控制系统中最常见的滤波器是低通滤波器，它们用来 消除来自于不同噪声源的噪声：电气互连（干扰）、分辨率限 制、电磁干扰(EMI)以及反馈装置中的固有噪声。
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PI控制系统
PI控制律,比例项提供稳定性与高频响应,积分项确保 平均误差趋向于0； 功率变换器模型是一个低通滤波器，通常为二极点低 通滤波器； 被控对象一般为积分器G/s=G/(j2π f)=-jG/(2π f)，j的增
KeMotion控制系统及开发
KeMotion控制系统及开发KeMotion r5000系列控制器是一套完整的面向多轴运动控制系统软硬件模块化控制器。
硬件包括由Keba公司设计的KeMotion控制器，以及各种外围模块组成，它们通过以太网或总线的形式与控制器连接，实现面向各种应用的搭配。
软件方面，Keba公司也提供了一套完整的用户操作、诊断、开发工具等软件工具集。
Keba公司提供的机器人控制系统解决方案的架构可以如下图0-1所示。
图0-1 系统架构一、KeMotion系统硬件结构Keba公司的KeMotion控制器是一套包含了完整软硬件的运动控制系统，如下图1-1所示。
图1-1 KeMotion控制器结构焊接机器人所使用的几个主要的模块如下所述：图1-2 CPU模块CPU：CPU部分是系统的核心目前焊接机器人使用的是KeMotion r5000系列的CP252/X CPU 模块（如图1-2，使用的是定制的基于Intel x86嵌入式微处理器），其上运行的是VxWorks实时操作系统。
控制器带有CF卡，OS和应用软件以及系统的数据都存在里面。
系统中同时安装了RC机器人控制系统和软PLC控制系统两套软件。
它们同时运行，通过共享内存块的方式进行通信。
RC部分负责运动控制，软PLC部分负责电气逻辑和实时外部信号采样处理工作，通过与RC通信，还可以扩展成为系统的主控部分，对运动控制过程进行控制。
KeDrive D2伺服驱动器：通过SERCOS III总线与控制器连接，系统采用的I/O模块是FX271/A SERCOS III 接口模块。
每个单元都可以独立控制伺服，包括位置、速度、加速度和电流的控制。
Ketop示教器手持终端（KeTop示教器，图1-4）：其上运行的是基于WinCE的嵌入式系统，通过以太网与控制器连接通信，在局域网内有自己的IP，相当于一个独立的终端，由于是基于OS的所以可以使用路由连接，提供对TCP等协议的支持。
可以通过手持终端连接至控制器控制系统的运动，作为机器人操作手持设备，可以编写终端用户程序，对机器人示教操作、手动操作，监视运动状态。
《精品课件》运动控制课件 (1)
-
-
U fn
Ufi
器
TA
T G
模拟电路方式－－数字模拟电路方式－－全数字方式 数字控制器与模拟控制器相比，具有下列优点：
◆能明显地降低控制器硬件成本。 ◆可显著改善控制的可靠性。 ◆数字电路温度漂移小，不存在参数变化的影响，稳定性好。
◆硬件电路易标准化。 ◆为复杂控制算法的实现提供了坚实基础。
运动控制系统的微机数字控制，大体经历三个阶段∶ 第一个阶段: 系统的控制器主要采用具有单一数据处理功能的 微处理器(Microprocessor)。如Intel 8086 。 第二个阶段: 系统主要采用单片微型计算机(Micro－Controller) 和数字信号处理器(DSP)。如MCS-51系列和MCS-96系列单片机 ； 数字信号处理器(DSP)，如TMS320系列、MOTOROLA公司的 68000系列以及NEC公司的μPD7720系列等等 。 第三个阶段: 九十年代后期的具有单片机特点的数字信号处理器 。 1997年TI公司推出了面向电机控制领域的DSP芯片－－ TMS320C240(F240)芯片。
第三代器件的主要特点是采用MOS门极控制和集成化。其代表性器 件是功率MOSFET、IGBT和IPM
现代的电力电子变换装置中，PWM技术是目前主要采用 的变换器控制技术。
IPM（智能功率模块）
P
泵升电阻 (需外接)
VT1
VT3
B U
VT5
V
W
VT7
VT4
VT6
VT2
N
3．电动机方面
与直流电动机相比，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有一系列 突出的优点：制造成本低廉、重量轻、惯性小、可靠性和运行效率高、基 本上不用维修、能在恶劣的甚至是含有易爆性气体的环境中安全运行。正 是由于交流电动机有这些优势，使它在电力传动系统中的应用范围比直流 电动机广泛得多。据统计，
运动控制系统ppt课件
ud
ua
ub
uc
ud
O
ud
ua
ub
uc
ud
Ud E
t O
id ic O
ia
ib
ic
id
a）电流连续
ic
t O
ia
ib
ic
b）电流断续
图1-9 V-M系统的电流波形
Ud E
t
t
1.2.3 抑制电流脉动的措施
在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的 转矩，对生产机械不利，同时也增加电机 的发热。为了避免或减轻这种影响，须采 用抑制电流脉动的措施，主要是：
• 瞬时电压平衡方程
ud0
E
id R
L
did dt
(1-3)
式中
E — 电动机反电动势；
id — 整流电流瞬时值； L — 主电路总电感；
R — 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
对ud0进行积分，即得理想空载整流电压 平均值Ud0 。
用触发脉冲的相位角 控制整流电压的
序言
课程的内容、目的
以电动机为控制对象、以实现既定（旋转） 运动规律和特性为目标、以电力能量变换技 术（电力电子应用技术）和自动控制理论及 相关控制技术为手段，探讨如何构成运动控 制系统。
序言
课程的地位、意义
• 自动化学科及自动控制领域背景知识 • 自动化专业的内涵及专业特征 • 本课程的专业地位及重要性
O
TL
2 3
Te
曲线变软。
调磁调速特性曲线
▪ 三种调速方法的性能与比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速 的系统来说，以调节电枢供电电压的方式 为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁 通虽然能够平滑调速，但调速范围不大， 往往只是配合调压方案，在基速（即电机 额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
运动控制系统PPT参考课件
9
第1篇 直流拖动பைடு நூலகம்制系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 ❖ 直流调速方法 ❖ 直流调速电源 ❖ 直流调速控制
10
1.1.1 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）；
R — 电枢回路总电阻（ ）；
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器，通 过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移 动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。
22
• V-M系统的特点
与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提
25
1). 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton
M _O
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
Ud t
26
2). 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源 电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电 源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端 电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如 图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上， 又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
改变电压 UN U
U n ， n0
❖ 调速特性：
O
转速下降，机械特性
第1篇 直流拖动பைடு நூலகம்制系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 ❖ 直流调速方法 ❖ 直流调速电源 ❖ 直流调速控制
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1.1.1 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）；
R — 电枢回路总电阻（ ）；
晶闸管-电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的Ward-Leonard系 统），图中VT是晶闸管可控整流器，通 过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移 动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。
22
• V-M系统的特点
与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提
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1). 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton
M _O
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
Ud t
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2). 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源 电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电 源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端 电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如 图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上， 又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
改变电压 UN U
U n ， n0
❖ 调速特性：
O
转速下降，机械特性
运动控制原理图和工作原理训练
工作原理（之四）
• （4）电动势计算单元AE
反电势信号的重构 根据直流调速系统主电路回路方程，可采用运算放大器组 成模拟计算电路来实现AE。 dI d
E U d I d R检测直流电动机电枢电流，经过二 极管整流电路，作为电动势计算单元AE的电枢电流输入， 由检测电阻检测直流电动机电枢电压，经电压隔离器 TVD ，作为电动势计算单元AE的电枢电压输入， 电动势计算单元AE按照公式进行计算，输出实际电动势作 为电动势反馈信号Ue。
•工作原理（之四）
（５）故障综合 ⑴ 电流互感器检测直流电动机电枢电流，经过模/ 数（Ａ/Ｄ）转换，经过故障综合和故障保护单元处理，送 中央处理器。 ⑵ 通过电阻Ｒ１、Ｒ２检测单元测量电力电子变换 装置直流侧滤波电容的电压值，经过故障综合和故障保护 单元处理，送中央处理器。 ⑶ 电流互感器检测电力电子变换装置直流侧电流， 经过故障综合和故障保护单元处理，送中央处理器。 ⑷ 温度传感器检测电力电子变换装置温度，经过故 障综合和故障保护单元处理，送中央处理器。 中央处理器对以上电压、电流和温度等信号进行分 析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免 故障进一步扩大．
原理图和工作原理训练
• 要求: 能绘出几种直流调速系统的稳态结构图和动 态结构图;说明工作原理.
P23 图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图 P27 图1-27 转速负反馈闭环直流调速系统给定作用和扰动作用 P29 图1-31 带电流截止负反馈的转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构 图 P46 图1-36比例控制电压负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图 （给定作用和扰动作用） P47 图1-55 带电压负反馈和电流正反馈的转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构图
为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节RP1 ，以提高电压。