运动控制简介

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控制器
功率放大与 变换装置
电动机及负载
信号处理
传感器
知识领域： 信号检测与数据处理技术
1．电动机－－运动控制系统的控制对象 （1）直流电动机－－结构复杂，制造成本高，电刷和换 向器限制了它的转速与容量。 优点：易于控制。 （2）交流异步电动机 －－结构简单、制造容易 ，无需 机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机 。 （3）同步电动机 －－转速等于同步转速，具有机械特性 硬 ，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生 不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失 步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应 用。 2．功率放大与变换装置－－执行手段 电力电子器件组成电力电子装置。
电力电子器件： 第一代：半控型器件，如SCR，方便地应用于相 控整流器(AC→DC)和有源逆变器(DC→AC) ， 但用于无源逆变(DC→AC)或直流PWM方式调 压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回路， 使电路结构复杂。 第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、 MOSFET等 。此类器件用于无源逆变 (DC→AC) 和直流调压（DC→DC）时，无须 强迫换流回路，主回路结构简单。另一个特点 是可以大大提高开关频率，用脉宽调制 （PWM）技术控制功率器件的开通与关断， 可大大提高可控电源的质量。
如何构建一个运动控制系统
总体方案选择
根据系统的技术指标要求和工艺要求，确定 运动控制系统的结构：开环vs闭环 步进电机vs伺服电机 机械传动结构 直接刚性连轴器连接 减速机 同步齿型带 运动控制器：运动方式 反馈元件
如何构建一个运动控制系统
部件选择 反馈元件分辨率、安装位置 电机选择 步进电机：力矩大小、步距角、驱动器的细 分数 伺服电机 ：力矩匹配、当量匹配、惯量匹 配、频带宽度匹配 机械传动减速比 运动控制器选择：控制轴数、联动轴数 应用开发环境
如何构建一个运动控制系统
交流伺服系统的选型依据 当量匹配 惯量匹配 力矩匹配
如何构建一个运动控制系统
伺服系统选型之当量匹配 每个脉冲对应的机械进给量，这里的脉冲 是指实际的反馈脉冲机械传动方式与减速 比 位置分辨率vs机械进给速度 电子齿轮比
伺服电机的控制模式
伺服电机是运动控制中最常用的执行器件了，哪么我们现 在了解一下，伺服电机的几种最常用的控制模式：
1.位置控制模式：位置控制模式中大体分为两种开式的信号：1.脉冲+ 方向。2.差分信号。PLC输出一般为脉冲+方向
2.速度控制模式：模拟量控制，-10V-----+10V信号给定。欧系运动控制 卡较常见，如TRIO 和MKS BY125, CT150等。
运动控制系统简介
3.数控系统(NC\CNC): 数控系统较为是一种较为专业的控制系统，主要是用在加工设备如数 控车床，铣床、刨床、磨床、等加工设备上的，该系统一般对精度要 求很高，尤其是用在大型的或都精密的加工中心上，数控制系统一般 采用通信方式控制，光纤，总线，等数据通信方式，伺用一般也采用 直流线线共用方式，较一般的运动控制有更高的专业性。常见的品牌 有：法纳克，西门子，三菱，法格，等国外品牌，国内目前有：华中 数控、广数、等国产品牌。
4．信号检测与处理－传感器 运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流、 转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号， 并实现功率电路（强电）和控制器（弱电）之 间的电气隔离，需要相应的传感器。 精度－信号传感器必须有足够高的精度，才能 保证控制系统的准确性。 滤波－信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器 件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往 往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相 结合的方法。
(3) 计算机辅助设计
计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输 等能力，能进行各种复杂的运算，可以实现不同于一般线 性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制功 能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制 系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为 可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性。 在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题， 可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。 计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于 贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在 数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进 行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运 动控制系统常用的分析和设计工具。
运动控制系统简介
运动控制的分类,按实现目标 1.直线的定位控制，点到点，单轴，定位 控制。 2.多轴顺序起动/停止，各轴间按照预先设 定的要求启停,并实现预定的轨迹. 3.主从跟随运动,一般从轴跟随着主轴以一 定的比例去运动.
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4.多轴同步运动,各轴之间以一定的电子齿 轮比例,并带有补偿.补偿一般分为两种， 光标或光栅尺检测自动补偿，手动补偿两 种
四。运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式 ：
d m J Te TL dt d m m dt
J
——机械转动惯量， m ——转子的机械角速度，
m ——转子的机械转角，
运动控制的目的：控制电动机的转速和转角， 对于直线电动机来说是控制速度和位移
要控制转速和转角，唯一的途径就是控 制电动机的电磁转矩 。 使转速变化率按人们期望的规律变化。 因此，转矩控制是运动控制的根本问题。 在高性能的运动控制系统中，采用转速 闭环控制，用转速偏差来调节系统的动 态转矩。
5．信号检测与处理技术－－控制系统的“眼睛” 运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和 输出的偏差实施控制，最终缩小或消除偏差，运 动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状 态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。 由于实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰 动信号对控制系统的正常运行产生不利的影响， 严重时甚至会破坏系统的稳定性。为了保证系统 安全可靠的运行，必须对实际检测的信号进行滤 波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感 器输出信号的电压、极性和信号类型往往与控制 器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般 不能直接用于控制，需要进行信号转换和数据处 理。
3.转矩控制模式：模拟量控制，-10V-----+10V信号给定。如PMAC卡 （美国DETAL TAU) 在实际应用中可进行多种模式的混合使用，可以通过外部条件来切换。
运动控制系统性能要求
1.稳定性 2.快速响应性好 3.控制精度高
运动控制系统任务
性能要求 选型 协调各个子系统 完整的系统 选择最佳工作条件 选择控制算法 人机界面
运动控制系统简介
执行机构及测量反馈机构：
1.执行机构：变频器、伺用电机、步进电机、直线伺服、液压执行机构、 丝杠、导轨、减速机构等 2.反馈器件：编码器，光栅尺等
运动控制系统简介
目前常见的运动控制方式
1.PLC 控制，主要是以发高速脉冲方式控制，属位置控制方式，一般点 到点的位置控制较多。也会有多轴的顺序启停，主从跟随，和多轴同 步，但相对较少，价格会很高。可以说PLC在运动控制这块占的种类 是最多的，但不专一。支持运动控制的PLC国内用的最多的是日系产 品，三菱、欧姆龙、松下。欧美的目前西门子、AB也都有涉及。新 生军台湾台达和永宏在这方面也很突出，永宏目前是该行业的佼佼者。 2.运动控制板卡，以其专业性在运动控制市场上占有了较多的比例，但 是由于目前板卡类一般编程使用的语言大部分是高级语言，帮掌握起 来有所难度，但其功能确实很强，而且应用广泛，目前多轴联动、多 轴同步、主从跟随等还有一些复杂的控制一般都需要采用该种方法。 目前市面上最常见的包括：深圳固高、美国PMAC卡（泰道 DELTA TAU）、英国TRIO、成都步进（乐创自动化）、深圳众为兴、雷赛、 白山、厦门微控等众多产品。
如何构建一个运动控制系统
传感器分辨率 增量编码器 分辨率：4N/(2∏），N为每转脉冲数 绝对编码器或旋转变压器 分辨率：2^n/(2∏)，n表示n位二进制数 传感器安装位置 ?电极轴端 ?负载
如何构建一个运动控制系统
如何选择一个电机？ 选择电机主要从下几方面考虑： 系统的精度要求 连续运转速度和最高速度、最高加速度要求 负载情况 惯量情况 机械传动结构 初步选定电机 计算所选电机的峰值力矩和额定力矩是否满足 要求
第三代 ：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功 能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。 3．控制器： (1)模拟控制器 :模拟控制器常用运算放大器及相应的电气 元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等 优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上， 因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、 温度等因素的影响。 (2)数字控制器 :硬件电路标准化程度高、制作成本低、而 且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上， 修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据通 信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。
3．微电子技术－－控制基础 微电子技术的快速发展，各种高性能的大规模 或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化 了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作， 提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存 容量、多功能的微处理器或单片微机的问世， 使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应 用成为可能，并大大提高了控制精度。 4．计算机控制技术－－系统控制核心 (1) 计算机控制 (2) 计算机仿真
二。运动控制及其相关学科
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
电机学 微电子 技术 电力电 子技术 计算机 控制 技术
运动 控制
信号检测与 控制理论 处理技术
1．电机学－－电动机是运动控制系统的控制对象 电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计 方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的 运动控制系统。 2．电力电子技术－－以电力电子器件为基础的功 率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，是运 动控制系统的执行手段。在运动控制系统中作为 电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响运 动控制系统的运行状态和性能。新型电力电子器 件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置， 对改善电动机供电电源质量，提高系统运行性能， 起到积极的推进作用。
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运动控制系统简介
按运动实现方式的不同分为:
1.旋转运动方式.普通的伺服电机一般都是旋转运动的,输出都是以转动形式出现 的. 2.直线运动方式. 目前直线运动有多种方式:一是采用丝杠滑块配合导轨进行运动. 二是直接采用直线电机.
运动控制系统简介
运动控制系统结构分为：
1.开环系统： 完全没有反馈的控制系统。 2.半闭环 执行机构带有反馈装置，在执行时实现闭环。 3.全闭环 指令发出去后，不光执行机构带有反馈，并且执行的实际结果也要参与闭环，进 行比较。
6．控制理论－－系统分析和设计的依据 控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系 统分析和设计的依据。控制系统实际问题的解决 常常能推动理论的发展，而新的控制理论的诞生， 诸如非线性控制、自适应控制、智能控制等，又 为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理 论依据。
三。运动控制系统及其组成
知识领域： 控制理论 知识领域： 电力电子与驱动技术 知识领域： 电机原理与模型
运动控制系统简介及简单应用
பைடு நூலகம்
天津职业技术师范大学
一。什么是运动控制系统？ 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） 运动控制系统－－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。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统 提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各 类新型的控制装置提供了可能。