固高运动控制技术基础综述

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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
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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
速度反馈
电机
负载
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，位置反馈取自负载 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
速度反馈
电机
负载
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
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.
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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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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
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 ）
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
P
G
Q
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步进电机的控制
脉冲 运动控制 器 驱动器
方向
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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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
速度反馈
电机
负载
位置反馈闭环控制系统（来自lose 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
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
位置反馈
电机
负载

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 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


直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机
Angle (deg)
A相通 P点
B相通 Q点
A、B相同时通 H点
Both IA = 1 IB = 1
P
H
Q
0 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 6.3 7.2
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步进电机的工作原理(续5）
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 0 -1 0 1 IB 0 1 0 -1 0
Angle
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
IA = 1 IB = 1
0 1.8 3.6 5.4 7.2
0
1.8
3.6
5.4
Position
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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:
IA 1 1 0 -1 -1 -1 0 1 1 IB 0 1 1 1 0 -1 -1 -1 0
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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。