运动控制系统设计

分解器：对位置进行感应的电磁装置。 分解器是一个产生两信号的旋转变压器:sin(p(t)),cos(p(t))。P(t)为旋转 位置。一个自由运行的振荡器驱动与被磁化的两根感应线圈相耦合的激励线 圈。正弦和余弦信号被送入解码—数字转换器（RDC），以产生电机位置的 集成电路中。 它能承受工业环境，尤其是在振动和高温环境下比增量编码器要好。 分解器的操作如同一个具有1个主线圈和2个次线圈的变换器。主线圈具 有正弦信号，作为响应，两个次线圈产生同频率的信号，其幅值依赖于移动 的角位移，通过处理两个输出信号，对移动的位移进行编码。RDC对分解器 的输出进行解码，并将其用10位或16位的二进制数表示出来。RDC是自调 整的闭环PI控制器。其带宽必须高于速度回路的带宽，以防止注入过大的相 位延时，典型的带宽在200HZ到1200HZ之间。如果分辨率是14位/转，就有 2的14次幂的数字量。若其RDC的频率被限制在2MHZ，那么最大速度：
• 传感器组成框图： 被测量
敏感 元件 转换元 件 基本转 换电路
电量
编码器是将模拟量转变为数字量的模数转换器。 直接编码式传感器结构简单，具有很高的测量精度，分辨率和可靠性。在现 代数控技术，机械设备的位移，机器人运转关节控制，自动检测技术等方面 获得广泛应用。 分辨率：以编码器轮转动一周所产生的输出信号基本周期数“脉冲/（PPR）” 来表示。 在AC伺服电动氧控制系统中，常选用分辨率为2500PPR的编码器。 精度：与分辨率完全无关。精度是一种度量在所选定的分辨范围内，确定任 一脉冲相对另一脉冲位置的能力。以角度单位表示。 稳定性：影响因素：电子元件的温漂，外界加于编码器的变形力….
直流电机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速，启动，制动和正反转 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的一种机电式数模转换器。其转子转角 与输入的电脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比，运动方向由步进电机通电 的顺序决定。 步进电机的选择主要考虑步距角，静力矩，电流三大要素。 控制电机定位控制性能的比较
1
Байду номын сангаас
Sv V /( Et)
2.转移效率 指经过一次转移以后，到达下一个势阱中的信息电荷包中的电量Q1与原信 息电荷包中的电量Q2之比。转移效率 ：
Q1 / Q2
目前，表面沟道式CCD的转移效率一般为0.9999。
3.光谱相应特性 指光敏元的输出量（光电压或光电流）与入射光的频率（或波长）间的函数关系。 器件的光谱响应范围通常在 0.4—1.1um 4.调制传递函数 国际上通常用调制传递函数（MFT）来表示分辨率。所谓分辨率是指图像传感器 对景物中明暗细节的分辨能力。 5.不均匀性 指均匀光照条件下，其输出端却得到一系列幅值不同的脉冲信号的现象。 6.噪声 主要来源于转移噪声，散粒噪声和声噪声。 激光式数字传感器（测量精度高，范围大，响应速度快，非接触测量） 从调制的角度看，激光传感 可以分为下列几种：相位调制式，频率调制式，振 幅调制式和偏振调制式。其中前两种可以直接以脉冲数字方式输出信号并与微 机直接接口。 激光相位调制式传感器一个激光相位调制式传感器都可以分为两大部分：相位 的调制和相位的检测。 工作原理：相位的变化，是由光程的变化所引起的。或者说，几何长度（位移） 和介质折射率的变化，其信号调制在相位上，使相位发生变化。
运动控制器的选择 控制器的任务分为两部分：产生控制命令，并使系统输出信号跟随参考位置 机器人和机床应用系统中的控制器分为3大类： 1.运动控制器，能够控制一个或一定数量的轴的速度和位置，或独立承担协调 运动。 2.多轴计算机辅助控制 3.可编程控制器（PLC）
系统选择： 开环 闭环 伺服电机：有刷 无刷 位置传感器的放置地点：电机和负载之间的机械耦合不是完美的刚体。一般 选择放在电机 位置传感器的选择 1000数字/转 位置量化值0.36°，所需的电机转速12r/min，位置反馈速率为 200Hz 最优化设计 运动控制可分为点到点控制（PTP控制）和连续轨迹控制（CP控制） 为了定义最优化设计，首先定义最优化目标。
Tf I o Kt
Kt为电机的力矩常数。 电机驱动器 驱动元件是伺服系统的重要组成部分，是执行元件，他的作用是把驱动线 路的电信号转换成机械运动 随动系统的功率放大器，多数选择脉冲宽度调制（PWM）式功率放大器 放大器的选择 放大器由三个参数表征其特征：电压，连续电流和峰值电流
变频器 选择时首先要充分了解要求调速设备的负载性质，对调速性能及其他工艺 上的要求等，然后对照各种变频器的性能，容量合理选用 1.主回路 主回路从能量转换方式分为交-直-交和交-交变频。交-交变频器应用于大容量， 低调速范围的场合。但其价格高。从滤波环节分为电压型和电流型变频器。 电压型本身不能实现制动，适用于不可逆系统；电流型易于实现四象限运 行，适用于要求正反转，快速制动的场合，但其价格较高。 2.控制方式 U/F恒定，转差频率控制，失量控制 U/F恒定控制方式保持电压U和频率发f的比值不变，而且对定子电阻引起的压 降进行补偿。理论上可以使电机的最大转矩保持不变，但低频时过载能力 下降，只适用风机类负载。 矢量控制的变频调速系统具有理想的动，静态特性，适用于高精度的调速系统。 3.控制系统 16位单片机或32位DSP 4.容量选择 考虑适配电机功率（kW）,输出容量（kVA）或额定输出电流（A）
vmax
1 2 10 14 60 r / min 7324 r / min 2
6
电荷耦合图像传感器 核心器件是CCD(charge-coupled device),它是一种将光学图像转换成模拟 电信号的固体光电转换器件。这种传感器体积小，质量轻，结构简单，功 耗小，成本低。 CCD工作时，首先对光信号（或电信号）进行电荷取样，并把取样的电荷 转移，存储在CCD相应的势阱中，然后在推进时钟的作用下，使电极下势 阱的深度作相应的变化。从而使这些代表信息的电荷包，定向的转移到 CCD的输出端，变成相应的电信号输出。 主要性能参数： 1.灵敏度 指入射光在像元上产生单位曝光量时，在输出端引起的输出电压的值。设 E Q 为光源在像元上产生的辐照度，t为器件受到光照的时间，V为器件输出的 电压。则灵敏度
电机（控制方 式） 步进电机（开 环控制） DC伺服电机 步进电机（闭 环控制） 优点 驱动控制电路简单；可靠性高； 维护容易 驱动控制电路不太复杂；效率 高；动作快 驱动控制电路较简单；响应速 度快；保养容易 缺点 动作慢；振动、噪音大；效率 低 碳刷需保护 效率稍低
无刷DC伺服电 响应速度与DC伺服电机一样快； 机 可靠性高；效率高 （AC伺服电机 ）
1.增量式编码器输出与量化后的旋转角成比例的周期信号，然后用计数器对这 一周期信号进行计数，使旋转角数字化。其输出包括A和B两个频道。每一转产 生N个脉冲。两频道通过1/4频道被移动。每一转具有N圈的编码器，经过4倍频 后分辨率为4N。最小分辨角360°/4N 缺点：①数据容易丢失，所有计数都是相对任一指定的基数而言，一旦停电或 误操作，把基数丢失，就难以寻找回来。②会发生误差累计现象 2.绝对式编码器以基准位置作为零位置，测量出各位置的绝对值，然后以二进 制符号来表示。 绝对式编码器可以在任一位置处给出一个确定的与该位置唯一对应的读数值， 无论停电或是长时间不用，其数值都不会丢失，并且其误差只与码盘的刻制精 度有关，误差不会因为多次计数积累。有多个码道，是一个以2为底数的二进制 系统。最低位（外面）的底数为2的0次幂，相邻的内码道为2的1次幂，依次类 推。 缺点：1.多为单转式，测量轴角的范围0～360°，不具有多转检测能力，因而 不适应多转数运动控制中检测绝对位置的要求。2.把位置绝对值信号进行采样 处理时，由于延迟时间的存在，故不适应高速控制的需要。
控制电路复杂，价格较贵
电机选择包括两个重要参数：所需的连续力矩和峰值力矩
Tp ( J m J L )a Tf
Tp ：峰值力矩；
Jm
JL
：负载转动惯量； ：所需的加速度；
：电机转动惯量 ：摩擦力矩或重力力矩
a
Tf
另一种方法是直接计算Tf和Tp，把电机耦合成负载和来自功率源的驱动电 机。逐渐增大电压，并记录所需的克服摩擦力的电流 I，摩擦力矩：
可编程逻辑控制器（PLC） 采用微机技术制造的通用的自动控制设备，能完成逻辑判断，定时， 计数，记忆和算术运算等功能，既能控制开关量，也能控制模拟量， 控制规模从几十个点到上万个点。 具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击，震动等恶劣环境，特 别适合于取代复杂的继电器控制逻辑电路。
数字信号处理器 DSP是一种高速专用微处理器，内部设置乘法器，可高速执行乘法运算，而且 乘法器和运算逻辑部件ALU并行操作，再加上流水线控制技术，因此做加减乘 除等运算的速度极快，正好适合数字信号处理的要求。DSP系统所选用的算法 是各种经过实践检验的通用算法的组合和改进，专门处理以运算为主，不允许 延迟的实时信号；它有特殊的寻址方式，可高效的进行FFT运算；灵活的I/O接 口和片内I/O管理；可灵活使用C语言或汇编编程。 GT-400-SV四轴伺服运动控制器 基于PC的通用运动控制系统结构，使用“卡式”运动控制器插在计算机的 ISA/PCI总线扩展槽中。 提供C语言函数库 采用增量式编码器作为输入反馈 采用PID滤波器，以及速度和加速度前馈。 控制轴运动控制模式： S-曲线加减速模式：主机设定目标位置，最大速度，最大加速度和加加速度。 可以随时修改目标位置，其他参数在运动过程中不能修改 梯形曲线模式：主机需要设定目标位置，最大速度和加速度。可以随时改变速 度和位置 速度跟踪模式：主机设定额定加速度和最大速度两个参数，可以随时修改这两 个参数
MFT( f ) M out ( f ) / M in ( f )
第四章 运控中的控制器
运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以 实现预定轨迹目标的装置，是利用高性能微处理器（如DSP Digital Signal Processing）或大规模可编程器件来实现一个或多个伺服电机 的协调控制。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起， 使其具有伺服电机控制所需要的各种速度和位置控制功能。 运动控制器以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件， 以电机和执行单元为控制对象的一种控制装置。
第三章 运动控制中的传感器
传感器是一种以一定的精确度将被测量（位移，力，加速度）转化为与之 有确定对应关系的易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。 1.模拟传感器 如测量位置信号的电位计，测量速度信号的测速计 2.数字传感器 ①直接数字式：输出为0或1的二元形式的信号。包括直接编码器，光栅编 码器，感应同步器和CCD ②准数字式：以频率形式的谐振式传感器，输出信号可为频率脉冲个数， 位相或脉冲宽度。包括机械式的，光学的，以及电学的各种LCR组合的振 荡器。 光电编码器广泛应用于AC伺服电机的位置和速度检测中，并在运动控制中 占有重要位置。 按脉冲与对应位置（角度）的关系：增量式和绝对式，以及二者结合的混 合式 按运动部件的运动方式：直线式和旋转式
第五章 运动控制系统设计
稳定性，快速响应性和精度三个方面来评价运动控制系统的总体要求 运动控制系统部件的选择必须从类别，性能，材料，制造，控制几个角度来 考虑。 一个合理的运动控制系统需考虑一下几方面的信息： 1.确定方案，根据装置的运动和力学要求进行计算，确定电机的类型及其驱动 器，减速器，位置检测装置的类型和规格 2.电机与传动机构的搭配结构 3.选择合适的系列运动控制器，根据伺服电机，编码器类型和数量进行选择 4.电机的负载情况 5.开发应用程序，根据装置在工作时的运动轨迹和速度，位置等运动参数，通 过对运动控制器API函数的调用实现所需的运动要求。 执行机构指各种伺服电机，包括直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机 伺服电机的基本要求： 具有宽广而平滑的调速范围 较硬的机械特性和良好的调节特性 快速响应 空载始动电压和转动惯量小