運動控制技術基礎固高運動控制技術基礎運動控制系統概述什么是運動控制？

簡單地講，運動控制就是通過機械傳動裝置對運動部件的位置、速度進行實時的控制管理，使運動部件按照預期的軌跡和規定的運動參數（如速度、加速度參數等）完成相應的動作。固高運動控制技術基礎運動控制系統的典型構成開環控制系統（OpenLoop電機：步進電機驅動器：脈沖分配，電流放大運動控制器：運動規劃，位置脈沖指令上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面驅動器上位計算機運動控制器電機

應用程序指令運動指令負載傳動機構固高運動控制技術基礎運動控制系統的典型構成（續1）開環控制系統（OpenLoop）電機：（直流伺服電機）、交流伺服電機驅動器：電流放大，位置反饋控制運動控制器：運動規劃，位置脈沖指令上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面驅動器上位計算機運動控制器電機

應用程序指令運動指令負載反饋元件傳動機構位置反饋固高運動控制技術基礎運動控制系統的典型構成（續2）閉環控制系統（CloseLoop）電機：直流伺服電機、交流伺服電機驅動器：速度反饋控制，電流放大運動控制器：運動規劃，速度指令，位置反饋取自電機軸上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面反饋元件驅動器上位計算機運動控制器電機

應用程序指令運動指令負載傳動機構位置反饋速度反饋固高運動控制技術基礎運動控制系統的典型構成（續3）閉環控制系統（CloseLoop）電機：直流伺服電機、交流伺服電機驅動器：速度反饋控制，電流放大運動控制器：運動規劃，速度指令，位置反饋取自負載上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面驅動器上位計算機運動控制器電機

應用程序指令運動指令負載反饋元件傳動機構位置反饋速度反饋固高運動控制技術基礎運動控制系統的典型構成（續4）閉環控制系統（CloseLoop）電機：直線電機驅動器：速度反饋控制，電流放大運動控制器：運動規劃，速度指令，位置反饋取自負載上位計算機：運動代碼生成，應用程序，人機界面反饋元件驅動器上位計算機運動控制器電機

應用程序指令運動指令負載位置反饋速度反饋固高運動控制技術基礎閉環控制的幾種形式固高運動控制技術基礎運動控制系統的構成部件上位計算機：PC機運動控制器專用運動控制器開放式結構運動控制器驅動器：全數字式驅動器電機步進電機伺服電機：直流伺服電機、交流伺服電機、直線電機反饋元件位置反饋元件：角度、位移速度反饋元件傳動機構：齒型帶；減速器；齒輪齒條；滾珠絲杠。固高運動控制技術基礎電機控制基本知識常見的控制電機步進電機永磁式：兩相（7.5度）反應式：三相（1.5度）混合式：兩相（1.8度）或五相（0.72度）伺服電機直流伺服電機交流伺服電機直線電機固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理步進電機是一種將數字式電脈沖信號轉換為角位移的機電執行元件。單極與雙極連線模式單極模式雙極模式固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理(續1）當步進電機的一相繞組（A相）通電時，產生力矩使電機轉動至位置P（通常叫一個步距角），當另一相（B相）繞組通電時，電機轉動至Q點TorqueAngleFigure:Rotationinasteppermotorisgeneratedbyalternatelyenergizingandde-energizingthepolesinthemotor’sstatorcreatingtorquewhichturnstherotor.固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理(續2）當A相繞組反相通電時，電機轉到R點，當B相繞組反相通電時，電機轉動至S點AngleIBIA7.2015.4-103.60-11.810001通常每一步為1.8o，下圖表示了整步運行的情況固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理(續3）單極整步運行圖雙極整步運行圖固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理(續4）半步運行模式:A相通P點B相通Q點A、B相同時通H點7.2016.3-115.4-104.5-1-13.60-12.71-11.8100.911001Angle(deg)IBIA固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理(續5）單極半步運行雙極半步運行固高運動控制技術基礎步進電機的工作原理(續6）微步運行模式—細分運行模式電機旋轉的位置隨A相和B相繞組中的電流的比例而變化固高運動控制技術基礎步進電機的控制運動控制器脈沖方向驅動器步進電機運動控制器：產生脈沖和方向信號驅動器：脈沖環行分配、電流放大固高運動控制技術基礎步進電機的優點低成本控制簡單，能直接實現數字控制開環控制，位移與脈沖數成正比，速度與脈沖頻率成正比結構簡單，無換向器和電刷，堅固耐用抗干擾能力強無累積定位誤差（一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積）固高運動控制技術基礎步進電機的缺點單步響應中有較大的超調量和振蕩承受慣性負載能力差，僅適用于負載慣量與電機轉子慣量比低的運行情況（慣量比小于3）轉速不夠平穩，粗糙的低速特性不適合于高速運行自振效應

高速時損耗較大低效率，電機過熱（機殼可達90℃）

噪音大，特別在高速運行時

當出現滯后或超前振蕩時，幾乎無法消除

可選擇的電機尺寸有限，輸出功率較小位置精度較低固高運動控制技術基礎直流伺服電機工作原理通電線圈與磁場的相互作用產生了伺服電機的轉矩固高運動控制技術基礎直流伺服電機工作原理（續1）定子：磁場—永磁體轉子：電樞繞組換向：換向器與碳刷加于直流電機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電動朝確定的方向連續旋轉。固高運動控制技術基礎直流伺服電機工作原理（續2）轉矩方向與電流方向的關系為確保直流電動機朝確定的方向連續旋轉，通過線圈的電流方向是交變的。轉矩隨q變化曲線圖，q為線圈與磁力線的夾角。固高運動控制技術基礎直流電動機的換向電流的換向是由電刷和換向器共同完成的。固高運動控制技術基礎直流電機驅動驅動器電源放大器通常接受±１０Ｖ的模擬電壓信號可工作在速度模式或電流模式線性放大器，開關型放大器（ＰＷＭ方式）∑∑TM電壓命令電流反饋速度放大器電機－－速度反饋電流放大器固高運動控制技術基礎直流伺服電機的控制運動控制器：速度指令，位置反饋取自電機軸驅動器：速度反饋控制（或許電流反饋控制），電流放大驅動器運動控制器電機運動指令負載反饋元件固高運動控制技術基礎直流伺服電機的優缺點優點:

精確的速度控制轉矩速度特性很硬原理簡單、使用方便 價格優勢 缺點:電刷換向速度限制附加阻力產生磨損微粒(對于無塵室)解決方案：無刷電子換向電機固高運動控制技術基礎交流伺服電機－－無刷電機改變電機的結構–—磁極作轉子，線圈作定子線圈中的電流方向可以使用電子方式換向在換向過程中，需要測量磁場磁力線與線圈的夾角霍爾傳感器可以測量轉子的磁場通常的結構：三相電機三個霍爾傳感器28固高運動控制技術基礎交流伺服電機結構示意圖固高運動控制技術基礎交流伺服電機工作原理（續）電子換相（VS電刷換向）磁極位置檢測30固高運動控制技術基礎霍爾傳感器將3個霍爾傳感器裝再定子上，各相差120度（不是空間角度）均布在電機一端。31固高運動控制技術基礎如何放置霍爾傳感器？

假設轉矩曲線為梯形曲線32固高運動控制技術基礎三相電流和力矩的關系

每一相有三個階段:正向電流－1/3時間負向電流－1/3時間沒有電流－1/3時間在三相中，總是：一相正向電流一相負向電流一相沒有電流由此可見，電流總是接通一相的同時斷開另一相。33固高運動控制技術基礎驅動器（放大器）工作原理霍爾傳感器定義了6種邏輯狀態。每一狀態–一個上邊的（奇）晶體管導通,同時一個下邊的（偶）晶體管導通。34固高運動控制技術基礎驅動器（放大器）工作原理（續）固高運動控制技術基礎伺服放大器結構框圖36固高運動控制技術基礎電流PWM控制脈寬調制技術（三角波、正弦波）非低噪音模式37固高運動控制技術基礎電流PWM控制（續）低噪音模式38固高運動控制技術基礎電流輸出39固高運動控制技術基礎幾種交流伺服電機固高運動控制技術基礎電子換向利用霍爾元件檢測到轉子磁場變化，并給出正確的狀態來接通（或關斷）相應的繞組電流，6種狀態完成一次轉化，對應轉子轉過一對磁極利用上述原理控制的電機稱為直流無刷電機交流伺服電機是直流無刷電機無位置傳感器原理：電機每轉一周，每一相的反電動勢過零兩次，而電機換流時刻與反電動勢過零時刻有固定的對應關系，因此可以得到換流時刻。固高運動控制技術基礎交流伺服驅動器的換向DrivewithHallsensor,EncoderorResolverforcommutationandFeedback:固高運動控制技術基礎交流伺服驅動器的換向（續1）DrivewithCommutatingEncoder:固高運動控制技術基礎交流伺服驅動器的換向（續2）DrivewithResolver:固高運動控制技術基礎交流伺服電機的控制運動控制器位置反饋驅動器交流伺服電機運動控制器：產生速度控制信號驅動器：速度反饋控制，電子換向速度指令速度反饋與換向信號光電編碼器固高運動控制技術基礎交流伺服電機的優點良好的速度控制特性，在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩。高效率，90%以上，不發熱高速控制高精確位置控制（取決于何種編碼器）額定運行區域內，實現恒力矩低噪音沒有電刷的磨損，免維護不產生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易暴環境慣量低價格具有競爭性固高運動控制技術基礎交流伺服電機的缺點控制較復雜驅動器參數需要現場調整PID參數整定需要更多的連線固高運動控制技術基礎驅動器步進電機驅動器（Indexer）

接受脈沖信號控制繞組電流；環形分配器伺服電機驅動器模擬式：通常可控制電機的速度和力矩數字式：可控制電機的速度和力矩；也可直接控制電機的位置固高運動控制技術基礎模擬伺服驅動器固高運動控制技術基礎數字伺服驅動器固高運動控制技術基礎運動控制系統中的反饋檢測元件光電式位置檢測元件旋轉式光電編碼器（電機位置、速度和換相信號）光柵尺（負載位置）固高運動控制技術基礎運動控制系統中的反饋檢測元件（續）霍爾傳感器（HallEffectSensor）

產生電機換相信號測速發電機（Tachometer）產生電機速度信號旋轉變壓器（Resolver）產生電機位置信號固高運動控制技術基礎編碼器分類與功能分類直線位移式(光柵尺）VS旋轉式編碼器絕對式VS增量式功能電機轉子位置檢測電機速度檢測電機轉子磁極位置檢測(a)RotaryIncrementalOpticalEncoder

53固高運動控制技術基礎編碼系統——檢測實際速度值和/或實際位置旋轉式編碼系統絕對值編碼器增量編碼器旋轉變壓器sin/cos光信號方波脈沖編碼器兩極多極HTLTTL絕對值編碼器基于可選組件sin/cos光電編碼器和減速箱單元單個絕對值編碼器基于32極旋轉變壓器和減速箱單元單圈多圈單圈多圈無增量信號有增量信號EnDatSSIPROFIBUSEnDatSSIPROFIBUSEnDatSSIEnDatSSI固高運動控制技術基礎方波信號增量編碼器光電元件刻度盤掃描標線聚光器光源

(LED)典型情況下，電機每旋轉一周，編碼器產生1,024個周期脈沖軌跡A軌跡B零位標記=參考位置標記軌跡A軌跡B邊沿檢測=4倍脈沖固高運動控制技術基礎編碼器信號種類A、B、Z相信號，A、B相為正交信號；單端、差動輸出；

TTL方波、正旋波輸出；56固高運動控制技術基礎編碼器信號接口集電極開路輸出（OC）差動輸出57固高運動控制技術基礎Sin/Cos光電編碼器，Vpp=1V光電元件刻度盤掃描標線光源(LED)模擬信號(Vpp=1V)經過A/D轉換成高分辨率數字信號典型分辨率：

2,048

脈沖每正弦周期典型分辨率：

4,000,000個脈沖每周期電機每旋轉一周，編碼器產生2,048個周期的sin/cos信號脈沖正弦軌跡余弦軌跡聚光器零位標記=參考位置標記1V固高運動控制技術基礎絕對位置編碼器上電讀取絕對位置工作時按增量式編碼器59固高運動控制技術基礎使用增量信號的絕對值編碼器

單圈絕對值編碼器聚光器光源掃描標線光電元件刻度盤霍爾元件變速箱旋轉編碼器增量軌跡對一個具有8192個位置的機械旋轉進行二進制編碼16:116:1分辨率:256倍分辨率:4,096倍

多圈絕對值編碼器電機轉速16:1分辨率:16倍固高運動控制技術基礎兩極旋轉變壓器1

機械周期包絡線旋轉變壓器取出正弦信號取出余弦信號輸入載波頻率

2-10kHz模擬信號(Vpp=1V)經過A/D轉換成高分辨率數字信號典型分辨率：

4,096

脈沖每正弦周期典型分辨率4,096脈沖每周期固高運動控制技術基礎最常用的機械傳輸方式旋轉到旋轉的轉換齒型帶帶有螺旋輪和平行軸的減速器擺線及外擺線轉減速器諧波驅動正切絲杠減速器或格立森(Gleason)齒輪。旋轉到直線運動的轉換齒型帶齒輪齒條金屬帶滾珠絲杠固高運動控制技術基礎各種傳動方式的比較齒型帶：價格便宜、反應慢，應用于控制帶寬窄的場合齒輪減速器：間隙較大，擺線和外擺線齒輪減速相齒隙較小，但價格貴諧波齒輪減速箱：體積小、傳動比大、齒隙小，但價格較貴，剛性不高正切絲杠減速器：應用場合有限，不是合低速時使用，潤滑要求高、效率低齒輪齒條：傳動行程長、但反向間隙較大，非線性因素，易引起系統振蕩固高運動控制技術基礎各種傳動方式的比較（續）滾珠絲杠：可以適合多種情形的傳動，精度高、齒隙較小、可以達到較高的速度；但對大行程的傳動不合適，抗彎抗扭的剛性和慣量限制了電機選型和系統控制帶寬總的說來，直線電機是高性能直線運動的最佳控制方式Backlashiscausedbyspaceof"play"betweencontactingsurfacesinballscrews,gears,beltdrives,andotherlinearmotiondevices.固高運動控制技術基礎直線電機同其他傳動方式比較滾珠絲杠、齒行帶和直線電機FeaturesBallScrewActuatorsTimingBeltActuatorsLinearMotorActuatorsSpeedMax1.5m/sMax3.5m/sMax5m/sMotorRotaryServoMotorRotaryServoMotorLinearServoMotorBacklash3~50um10~100umZerobacklashServoFeedback/AccuracyRotaryencoderRotaryencoderLinearencoder(actualposition)DriveDesign(mechanical)ComplicatedComplicatedSimpledesignMaintenanceHighBelttensioningrequiredperiodicallyLeastSmoothnessNoisywhenmovingfastNoisySmoothmotion