固高运动控制技术基础

单步响应中有较大的超调量和振荡 承受惯性负载能力差，仅适用于负载惯量与电机转子 惯量比低的运行情况 （惯量比小于3） 转速不够平稳，粗糙的低速特性 不适合于高速运行 自振效应 高速时损耗较大 低效率，电机过热（机壳可达90℃） 噪音大，特别在高速运行时 当出现滞后或超前振荡时，几乎无法消除 可选择的电机尺寸有限 ，输出功率较小 位置精度较低
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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
定子：磁场—永磁体 转子：电枢绕组
换向：换向器与碳刷
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直流伺服电机工作原理（续2）

转矩方向与电流方向的关系
Torque
为确保直流电动机朝确 定的方向连续旋转，通 过线圈的电流方向是交 变的。
转矩随 变化曲线图， 为线圈与磁力线的夹角。
Current
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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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步进电机的缺点

霍尔传感器
将3个霍尔传感器装再定子上，各相差120度（不是空间 角度）均布在电机一端。
H1 H2 H3 States 101
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100 110 010 011 001
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如何放置霍尔传感器？
假设转矩曲线为梯形曲线
Torque Current H1 H2 H3
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.
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
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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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（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
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电流PWM控制（续）

来自百度文库低噪音模式
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电流输出
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几种交流伺服电机
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电子换向


利用霍尔元件检测到转子磁场变化，并给出正 确的状态来接通（或关断）相应的绕组电流， 6种状态完成一次转化，对应转子转过一对磁 极 利用上述原理控制的电机称为直流无刷电机 交流伺服电机是直流无刷电机 无位置传感器原理：电机每转一周，每一相的 反电动势过零两次，而电机换流时刻与反电动 势过零时刻有固定的对应关系，因此可以得到 换流时刻。
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直流伺服电机工作原理
• 通电线圈与磁场的相互作用产生了伺服电机的转矩
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直流伺服电机工作原理（续1）

加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用， 使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交变的，从而使 电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动朝确 定的方向连续旋转。
B1 A2 N S C2 IC C1 C1 A2 B1
C2
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交流伺服电机结构示意图
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交流伺服电机工作原理（续）


电子换相（VS电 刷换向） 磁极位置检测
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－
速度反馈
－
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直流伺服电机的控制
运动指令 反馈元件
运动控制器
驱动器
电机
负载
运动控制器：速度指令，位置反馈取自电机轴 驱动器：速度反馈控制（或许电流反馈控制）， 电流放大
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直流伺服电机的优缺点

优点:

精确的速度控制 转矩速度特性很硬 原理简单、使用方便 价格优势 电刷换向 速度限制 附加阻力 产生磨损微粒(对于无尘室)
直流电动机的换向
电流的换向是由电刷和换向器共同完成的。
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直流电机驱动

驱动器

电源放大器 通常接受±１０Ｖ的模拟电压信号 可工作在速度模式或电流模式 线性放大器，开关型放大器（ＰＷＭ方式）
电压 命令 ∑ 速度放大器 ∑ 电流放大器 电机 M 电流反馈 T
100 110 010 011 001
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T2
T4
T6
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驱动器（放大器）工作原理（续）
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伺服放大器结构框图
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电流PWM控制

脉宽调制技术（三角波、正弦波） 非低噪音模式
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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。
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
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Ia Tb Ib Tc Ic
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驱动器（放大器）工作原理
• 霍尔传感器定义了6种逻辑状 态。 • 每一状态 – 一个上边的（奇 ）晶体管导通, 同时一个下边 的（偶）晶体管导通。
+VS T1 T3 T5
IA IB IC
H1 H2 H3 States 101
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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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交流伺服驱动器的换向 （续2）

Drive with Resolver:
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交流伺服电机的控制
运动控制 器 速度指令
驱动器
交流 伺服 电机
光电编码器
位置反馈
速度反馈与换 向信号
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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

缺点:


解决方案：无刷电子换向电机
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交流伺服电机－－无刷电机
• • • • • 改变电机的结构 –—磁极作转子，线圈作定子 线圈中的电流方向可以使用电子方式换向 在换向过程中，需要测量磁场磁力线与线圈的夹角 霍尔传感器可以测量转子的磁场 通常的结构： IA A1 A1 • 三相电机 B2 • 三个霍尔传感器 IB B2
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三相电流和力矩的关系
Ta
每一相有三个阶段: • 正向电流 － 1/3 时间 • 负向电流 － 1/3 时间 • 没有电流 － 1/3 时间 在三相中，总是： • 一相正向电流 • 一相负向电流 • 一相没有电流 由此可见，电流总是接通一 相的同时断开另一相。
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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
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
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
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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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
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交流伺服驱动器的换向
• Drive with Hall sensor, Encoder or Resolver for commutation and Feedback:
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交流伺服驱动器的换向 （续1）
• Drive with Commutating Encoder: