(完整版)运动控制技术

控制器与驱动器结合策略-6
❖ 总线型——工业以太网
控制器与驱动器结合策略-6
❖ 控制器与驱动器之间通过全数字总线相连接。 ❖ 每个驱动器自己就构成了1个节点(Node)，驱
动器中完成三闭环(位置环，速度环及电流环)， 及电机的换向。 ❖ 控制器输出位置指令信号给每个节点。 ❖ 系统中的各个环节都可以通过总线组合在一 起。
控制器与驱动器结合策略-4
❖ 控制器中实现双闭环(位置环与速度环)，控制器负 责电机换向。
❖ 控制器输出两相(或三相)空间相位互差120°的电流 指令信号给驱动器。
❖ 驱动器工作于两相或三相电流模式，驱动器中实现 电流环闭环。
❖ 这种方式效果同策略3，但是支持这种功能的控制 器与驱动器较少，因此应用很少。(EMAC,PMAC， ACS控制器等)
❖ 每一种组合策略都有其优缺点，或者适用的 场合。
❖ 始终抓住伺服系统的3闭环反馈系统的特性。 不同的策略最主要的差别就是：这些闭环分 别在哪里完成？电机由谁负责换向？
控制器与驱动器结合Leabharlann Baidu略-1
❖ 运动控制器开环(不闭环) ❖ 运动控制器输出脉冲类型信号给伺服驱动器，类似
于控制步进电机的工作方式 ❖ 伺服驱动器工作于位置控制模式 ❖ 伺服驱动器内部要完成三闭环(位置环，速度环及电
控制器与驱动器结合策略-6
❖ 缺点： ❖ 成本高。控制器与驱动器都需要支持相同的
总线协议，且驱动器要完成3闭环，需要更高 的处理能力。 ❖ 总线协议太多，不同厂家的总线产品往往不 能互换。 ❖ 很难实现全闭环控制。
控制器与驱动器结合策略-6
❖ 贝加莱，Parker等公司的POWERLINK产品。
运动控制技术
北京元茂兴 傅奕劼
运动控制器
驱动机构 功率放大
编码器
人机界面
执行机构 减速机构 传动机构 机械装置 光栅
现场过程信号
★对多台电机位置、速度、转矩等参数的精确、快速控制
★控制单台电机的点位运动及多台电机的插补运动，实现我们希望 的加工轨迹及空间曲线
★选择不同的控制方式及系统配置，实现最优控制
器内部实现双闭环(速度环与电流环)，驱动器 负责电机的换向。 ❖ 在这种模式下，控制器必须接受反馈信号， 否则不能实现控制。
控制器与驱动器结合策略-2
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 名词解释： ❖ 伺服周期：控制器每隔一个固定的时间，就对伺服
电机实现一次闭环控制：将控制器内部计算的指令 值与从外部传感器获得的实际值比较做差，得到误 差值，对该误差值进行PID等控制，实现减小偏差。 这个固定的间隔时间就称为伺服周期。 ❖ 伺服周期是控制器一个非常重要的指标，伺服周期 越短，电机响应越快，能实现更快的加减速，对误 差纠正能力越强，调试效果也越好。 ❖ 三闭环有各自的伺服周期，最重要的是位置环伺服 周期。
控制器与驱动器结合策略-1
❖ 缺点： ❖ 无法实现全闭环控制 ❖ 电机无法实现非常快速的响应 ❖ 所有运动控制部分都在驱动器中完成，由于
大部分驱动器计算能力有限，要实现较高的 控制要求往往很难实现。
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 运动控制器完成位置环闭环 ❖ 控制器输出+/-10V速度指令信号给驱动器 ❖ 伺服驱动器工作于速度控制模式下，在驱动
·主要用于开环控制
·步距角：一个脉冲对应的角度 常见1.8°(2相)，0.72°（5相） 加细分后可做到很小的步距角
·优点：简单易用，刚度高，多为 直流供电，高细分的步进电机可做到很小的步距角
·缺点：开环控制丢脉冲影响精度，速度过小易出现低频振荡， 速度过高输出转矩下降。常用于100rpm——300rpm间工作。
控制器与驱动器结合策略-5
❖ 控制器实现三闭环控制(位置环，速度环，电 流环)，控制器负责电机换向。
❖ 控制器输出直接PWM信号给驱动器，因此这 种方式也叫直接PWM控制。
❖ 驱动器是一个纯粹的PWM放大器。 ❖ 控制器除接收位置反馈信号外，还必须接收
电流反馈信号。
控制器与驱动器结合策略-5
❖ 优点： ❖ 所有工作都在控制器中完成，响应是最快的。 ❖ 能实现最复杂的控制。 ❖ 所有的闭环环节都在控制器内部完成，不容
·无机械误差，高精度 ·无运动滞后现象，高响应性及高刚度 ·不受传动机构惯量及阻力矩影响，速度快，加减速时间短 ·无机械摩擦，噪音低 ·散热性好
E-MOTION
★半导体芯片 ★印刷机构
★DNA检测 ★磁悬浮列车
★功率放大，将控制信号放大为控制电机运行的电压（ 电流）信号，PWM放大技术
★保护电机，过热，过载，过电流，欠电压等
让电机快速运动起来
❖ 这些软件都含有一个向导，称为配置向导。 这个向导将引导我们快速配置电机轴的一系 列参数，让我们的电机快速运动起来。
❖ 控制器与驱动器结合的多种方式(策略) ❖ 在不同策略下控制器与驱动器各自输出及接
收信号的类型 ❖ 在不同策略下控制器与驱动器各自要完成的
功能 ❖ 各种策略的优缺点 ❖ 常用的运动控制名词
控制器与驱动器结合策略
❖ 我们归纳了6种控制器与驱动器的组合策略， 基本上覆盖了目前运动控制领域中的所有组 合。
·定子为永磁铁，转子上 是线圈绕组
·单相电机，换向波形为方波 (梯形波)
·机械换向——电刷及换向器
·反馈：测速机或编码器
·优点：结构简单，价格便宜；力矩波动小，速度波 动小(测速机反馈)，多用于速度稳定性要求高的场合。
·缺点：需要定期维护(更换电刷)；换向火花；散热困 难影响寿命；最大速度不易超过3000rpm。
·动子为永磁铁，电枢绕组在定子上。 ·三相电机，换向波形为三相正弦波。 ·电换向。HALL信号检测磁极位置。 ·编码器反馈。
★执行运动控制器发出的控制信号，带动机械负载动作 ★步进电机、伺服电机、力矩电机、直线电机、直驱电机、音圈电机等
运动控制器
驱动机构 功率放大
编码器
人机界面
执行机构力矩电机减速机构 传动机构 机械装置 光栅
控制器与驱动器结合策略-6
❖ 德国倍福，以色列ACS等公司的EtherCAT产 品。
控制器与驱动器结合策略-6
❖ 丹纳赫公司的SynqNet产品
让电机快速运动起来
❖ 控制器厂商都会提供一个界面友好的运行在 Windows系统的控制器配套软件。
❖ EMAC：Pro-Motion ❖ ACR9000：ACR-View ❖ PMAC:Pewin32PRO ❖ ACS控制器：SPiiPlus Suite
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 小知识——控制器预防飞车或失控的策略 ❖ 跟随误差限制：当飞车时，跟随误差会越来
越大，可以在控制器中设置跟随误差限制， 当达到或超过这个限制时，控制器会自动切 断对驱动器的使能信号。电机将停止。 ❖ 在最开始调试时，不要把这个限制设置的过 小，否则电机可能经常被禁能。
控制器与驱动器结合策略-6
❖ 优点： ❖ 可以实现非常多的轴的控制。甚至100个轴的控制。 ❖ 可以实现分布式控制，因为传递的是全数字总线协议，控制
器与单台驱动器可以距离很远，理论最远可达100米。 ❖ 可以实现不同的网络拓扑结构。 ❖ 以太网具有100Mbps的传输速率，保证了信号在各节点间传
递的及时性。 ❖ 控制器与驱动器接线很简单。 ❖ 在控制器中也能获得很多电机相关的参数及状态(同策略5) ❖ 可以实现运动控制器与PLC的完美结合。
易引入干扰。实现超高精度的控制(纳米级)。 ❖ 在控制器中可以获得更多的电机相关参数及
状态(电机电流，温度，相位，状态等)
控制器与驱动器结合策略-5
❖ 缺点： ❖ 对控制器要求很高，只有极少数较高端的控
制器才支持这个功能(除1型卡外的 PMAC,ACS控制器)。 ❖ 伺服驱动器需要直接PWM驱动器，这种产品 市场并不多。 ❖ 需要在控制器中调试更多的参数。
控制器与驱动器结合策略-3
❖ 控制器实现双闭环(位置环与速度环) ❖ 控制器输出+/-10V电流(转矩)指令信号给驱动器。 ❖ 驱动器工作于电流(转矩)控制模式下，驱动器中完
成单闭环(电流环)，驱动器负责电机的换向。 ❖ 控制器需要接收编码器或光栅尺反馈信号，控制器
中位置环与速度环反馈可以来自于相同的反馈信号， 也可来自于不同的反馈信号(双反馈)。
现场过程信号
★可以提供低速、大转矩，取消了减速机构 ★低速稳定性好，力矩输出平稳，精度高，力矩波动小
运动控制器
驱动机构 功率放大
编码器
人机界面
执行机构 减直速线机电构机 传动机构 机械装置 光栅
现场过程信号
·直线电机可以看做将旋转电机沿径向剖开，然后将电机 沿圆周展成直线 ·取消了机械传动装置
★伺服闭环
★控制三相电的通电顺序
★直接影响运动控制系统的精度 ★检测电机的位置、速度、电流及磁极位置 ★增量型编码器，绝对型编码器，旋转变压器，直线光栅，圆光栅
位置闭环
速度闭环
位置
積分
转矩闭环
增益
指令 +
位置 +
回路增
-
益
-
速度 +
回路 增益
+-

转矩反馈
速度反馈
PG
位置反馈
控制器与驱动器的结合
控制器与驱动器结合策略-1
❖ 优点： ❖ 运动控制器不需要完成任何闭环，对控制器要求较
低，全部通用运动控制器都可以实现这个功能。控 制器即使不接任何反馈也可以实现控制。 ❖ 让电机运动起来很简单，几乎不会存在飞车的可能。 ❖ 脉冲信号抗干扰能力较强，对屏蔽要求低。 ❖ 控制器不需要调试PID参数，但驱动器中可能需要 调试。 ❖ 能实现这种功能的产品最多。
★系统运行稳定可靠，连续运行的能力，抗干扰能力 ★高精度，包括定位精度，重复定位精度，动态跟随误差等 ★快速响应性好 ★快速上手，开发周期短 ★易于维护
★运动控制是自动控制中的一个重要分支。伺服控制是核心。 它是一个集自动化技术，计算机技术，机械技术，电子技术，通讯技术 等的综合技术。
★运动控制系统是一个比较复杂的系统，各个环节都对这个系统产生影响
控制器与驱动器结合策略-3
❖ 优点： ❖ 可实现全闭环反馈控制。 ❖ 电机的响应比前两种策略更快。 ❖ 能实现该功能的产品较多，是最常用的直线
电机的控制方式。 ❖ 可以实现开环的转矩控制及闭环位置控制的
灵活切换。 ❖ 全部PID参数都在控制器完成，调试更简单
控制器与驱动器结合策略-3
❖ 缺点： ❖ 与控制策略2基本类似，这里不再赘述。
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 优点： ❖ 可以实现全闭环控制，提高系统的精度，是
在能实现全闭环控制中对控制器要求最低的。 ❖ 相比第1种策略，电机可以实现更快的响应。 ❖ 控制器中可以调试参数，实现更多样化的控
制。 ❖ 能实现这种功能的产品较多。
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 缺点： ❖ 对控制器要求较高，有些控制器只能发送脉
冲，就不能实现这种及之后的策略。控制器 必须接收反馈信号。 ❖ 调试较第1种复杂一些，调试时控制器中需要 确定位置环极性，若极性不对，会出现飞车。 ❖ 控制器及驱动器可能都需要调试参数。 ❖ 对屏蔽要求高，控制器与驱动器共地。
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 名词解释： ❖ 飞车：当指令信号及反馈信号方向(符号)不一
致，控制器无法实现负反馈，而是形成了正 反馈，位置误差将越来越大，电机向一个方 向飞速旋转。 ❖ 飞车一般只发生在第1次调试该电机时，当确 定好极性后，就不会再出现飞车现象。
控制器与驱动器结合策略-2
❖ 避免飞车的方法：
❖ 在调试时，先开环调试。以这种策略为例， 首先控制器开环，然后控制器发送1个较小的 速度指令信号给驱动器，电机将运动，再控 制器中监视反馈信号的读数。正确的极性为： 正电压对应反馈读数增加，负电压对应反馈 读数减小。否则，需要更改反馈信号或指令 信号的极性。
流环)，伺服驱动器负责电机的换向。 ❖ 在这种模式下，控制器仍然可以接收来自于驱动器
的编码器信号或外部的光栅尺信号，但是在控制器 中不对这些信号做闭环。
控制器与驱动器结合策略-1
控制器与驱动器结合策略-1
小知识：常见的脉冲指令类型 ❖ 1、脉冲+方向
❖ 2、CW/CCW
❖ 3、Encoder A/B
★可靠、功能强大的控制器，稳定的执行机构，精确的反馈机构 精密的机械结构等等
★执行编写的程序，控制执行机构的动作 ★完成伺服闭环的计算 ★通过插补计算，得出各个电机轴的位置 ★采集现场I/O信号，控制I/O设备 ★与PC及其他现场设备进行通讯
★能够实现各种运算功能，程序的流程控制等。程序开发非常类似于PC上 开发程序。