固高运动控制技术基础

固高科技有限公司运动控制技术系列讲座
步进电机的优点
低成本 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 结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用 抗干扰能力强 无累积定位误差（一般步进电机的精度为步
进角的3-5%，且不累积 ）
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运动控制系统的典型构成（续3）
应用程序指令
运动指令
反馈元件 传动机构
上位计算机
运动控制器
驱动器
电机
负载
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 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 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面
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。
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电机控制基本知识
常见的控制电机
步进电机
永磁式：两相（7.5度） 反应式：三相（1.5度） 混合式：两相（1.8度）或五相（0.72度）
伺服电机
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运动控制系统的典型构成
应用程序指令
运动指令
传动机构
上位计算机
运动控制器
驱动器
电机
负载
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
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单极半步运行
双极半步运行
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步进电机的工作原理(续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
PG Q
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步进电机的控制
运动Leabharlann Baidu制 器
脉冲 方向
驱动器
步进 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
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步进电机的工作原理(续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
Torque IA = 1 IB = 1
IA = -1
P
Q
R S Angle
通常每一步为1.8º，下图表示了整步运行的情况
Torque
IA IB Angle
直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机
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步进电机的工作原理
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
单极模式
双极模式
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步进电机的工作原理(续1）
当步进电机的一相绕组（A 相）通电时，产生力矩使
A相通 P点 B相通 Q点 A、B相同时通 H点
Both
IA = 1
IB = 1
P HQ
IA
IB Angle (deg)
1
0
0
1
1
0.9
0
1
1.8
-1 1
2.7
-1 0
3.6
-1 -1
4.5
0 -1
5.4
1 -1
6.3
1
0
7.2
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步进电机的工作原理(续5）
运动控制系统的典型构成（续1）
应用程序指令
运动指令
反馈元件 传动机构
上位计算机
运动控制器
驱动器
电机
负载
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 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 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界
电机转动至位置P（通常叫 一个步距角），当另一相
（B相）绕组通电时，电机 转动至Q点
Torque
IA = 1
IB = 1
P Q Angle
Figure : Rotation in a stepper motor is generated by alternately energizing and de-energizing the poles in the motor’s stator creating torque which turns the rotor.
面
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运动控制系统的典型构成（续2）
应用程序指令
运动指令
反馈元件 传动机构
上位计算机
运动控制器
驱动器
电机
负载
速度反馈 位置反馈
闭环控制系统（Close Loop）
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 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
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运动控制技术基础
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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。
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闭环控制的几种形式
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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
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运动控制系统的典型构成（续4）
应用程序指令
运动指令
反馈元件
上位计算机
运动控制器
驱动器
电机
负载
位置反馈
速度反馈
闭环控制系统（Close Loop）
电机：直线电机 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 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面
1
0
0
IA = 1 IB = 1
0
1 1.8
-1
0 3.6
0
-1 5.4
0
1.8
3.6 5.4 Position
1
0 7.2
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步进电机的工作原理(续3）
单极整步运行图
双极整步运行图
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步进电机的工作原理(续4）
半步运行模式: