1、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),北京元茂興 傅奕劼,什么是運(yùn)動(dòng)控制？,一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 功率放大,運(yùn)動(dòng)控制研究的內(nèi)容,對(duì)多臺(tái)電機(jī)位置、速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的精確、快速控制,控制單臺(tái)電機(jī)的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)及多臺(tái)電機(jī)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)我們希望 的加工軌跡及空間曲線,選擇不同的控制方式及系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制,我們希望實(shí)現(xiàn)的,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，連續(xù)運(yùn)行的能力，抗干擾能力,高精度，包括定位精度，重復(fù)定位精度，動(dòng)態(tài)跟隨誤差等,快速響應(yīng)性好,快速上手，開發(fā)周期短,易于維護(hù),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)控制中的一個(gè)重要分支。伺服控制是核心。 它是一個(gè)集自動(dòng)化技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)械技術(shù)，電子技術(shù)，通訊技術(shù) 等的綜合技術(shù)。

2、,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，各個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)這個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,可靠、功能強(qiáng)大的控制器，穩(wěn)定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，精確的反饋機(jī)構(gòu) 精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)等等,運(yùn)動(dòng)控制器(系統(tǒng)的大腦),執(zhí)行編寫的程序，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,完成伺服閉環(huán)的計(jì)算,通過插補(bǔ)計(jì)算，得出各個(gè)電機(jī)軸的位置,采集現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)，控制I/O設(shè)備,與PC及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊,能夠?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)算功能，程序的流程控制等。程序開發(fā)非常類似于PC上 開發(fā)程序。,執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī),主要用于開環(huán)控制,步距角：一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度 常見1.8(2相)，0.72（5相） 加細(xì)分后可做到很小的步距角,優(yōu)點(diǎn)：簡單易用，剛度高，多為 直流供電，高細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)可做到很小

3、的步距角,缺點(diǎn)：開環(huán)控制丟脈沖影響精度，速度過小易出現(xiàn)低頻振蕩， 速度過高輸出轉(zhuǎn)矩下降。常用于100rpm300rpm間工作。,執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī),直流有刷電機(jī),定子為永磁鐵，轉(zhuǎn)子上 是線圈繞組,單相電機(jī)，換向波形為方波 (梯形波),機(jī)械換向電刷及換向器,反饋：測(cè)速機(jī)或編碼器,執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī),直流有刷電機(jī),優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜；力矩波動(dòng)小，速度波動(dòng)小(測(cè)速機(jī)反饋)，多用于速度穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合。,缺點(diǎn)：需要定期維護(hù)(更換電刷)；換向火花；散熱困難影響壽命；最大速度不易超過3000rpm。,執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī),無刷電機(jī),動(dòng)子為永磁鐵，電樞繞組在定子上。,三相電機(jī)，換向波形為三相正弦波。,電換向

4、。HALL信號(hào)檢測(cè)磁極位置。,編碼器反饋。,執(zhí)行機(jī)構(gòu)(四肢),執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的控制信號(hào)，帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載動(dòng)作,步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、直線電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)、音圈電機(jī)等,力矩電機(jī),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 功率放大,力矩電機(jī),力矩電機(jī),可以提供低速、大轉(zhuǎn)矩，取消了減速機(jī)構(gòu),低速穩(wěn)定性好，力矩輸出平穩(wěn)，精度高，力矩波動(dòng)小,直線電機(jī),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 功率放大,直線電機(jī),E-MOTION,直線電機(jī)可以看做將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī) 沿圓周展成直線,取消了機(jī)械傳動(dòng)裝置,無機(jī)械誤差，高精度,無運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，高響應(yīng)性及高剛度,不受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)慣量及阻力矩影響，速度快，加減速時(shí)間短,無機(jī)械摩擦，噪音低,散熱性好,直線電機(jī),直

5、線電機(jī),半導(dǎo)體芯片,DNA檢測(cè),印刷機(jī)構(gòu),磁懸浮列車,驅(qū)動(dòng)器,功率放大，將控制信號(hào)放大為控制電機(jī)運(yùn)行的電壓（ 電流）信號(hào)，PWM放大技術(shù),保護(hù)電機(jī)，過熱，過載，過電流，欠電壓等,伺服閉環(huán),控制三相電的通電順序,反饋設(shè)備,直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度,檢測(cè)電機(jī)的位置、速度、電流及磁極位置,增量型編碼器，絕對(duì)型編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器，直線光柵，圓光柵,伺服系統(tǒng)(三閉環(huán)反饋系統(tǒng)),如何將現(xiàn)有的控制系統(tǒng)組合起來？,重點(diǎn)是控制器與驅(qū)動(dòng)器的配合,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合的多種方式(策略) 在不同策略下控制器與驅(qū)動(dòng)器各自輸出及接收信號(hào)的類型 在不同策略下控制器與驅(qū)動(dòng)器各自要完成的功能 各種策略的優(yōu)缺點(diǎn) 常用的運(yùn)動(dòng)控制名

6、詞,控制器與驅(qū)動(dòng)器的結(jié)合,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略,我們歸納了6種控制器與驅(qū)動(dòng)器的組合策略，基本上覆蓋了目前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的所有組合。 每一種組合策略都有其優(yōu)缺點(diǎn)，或者適用的場(chǎng)合。 始終抓住伺服系統(tǒng)的3閉環(huán)反饋系統(tǒng)的特性。不同的策略最主要的差別就是：這些閉環(huán)分別在哪里完成？電機(jī)由誰負(fù)責(zé)換向？,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-1,運(yùn)動(dòng)控制器開環(huán)(不閉環(huán)) 運(yùn)動(dòng)控制器輸出脈沖類型信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，類似于控制步進(jìn)電機(jī)的工作方式 伺服驅(qū)動(dòng)器工作于位置控制模式 伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部要完成三閉環(huán)(位置環(huán)，速度環(huán)及電流環(huán))，伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)的換向。 在這種模式下，控制器仍然可以接收來自于驅(qū)動(dòng)器的編碼器信號(hào)或外部的光柵尺信

7、號(hào)，但是在控制器中不對(duì)這些信號(hào)做閉環(huán)。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-1,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-1,小知識(shí)：常見的脈沖指令類型 1、脈沖+方向 2、CW/CCW 3、Encoder A/B,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-1,優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)動(dòng)控制器不需要完成任何閉環(huán)，對(duì)控制器要求較低，全部通用運(yùn)動(dòng)控制器都可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能?？刂破骷词共唤尤魏畏答佉部梢詫?shí)現(xiàn)控制。 讓電機(jī)運(yùn)動(dòng)起來很簡單，幾乎不會(huì)存在飛車的可能。 脈沖信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)屏蔽要求低。 控制器不需要調(diào)試PID參數(shù)，但驅(qū)動(dòng)器中可能需要調(diào)試。 能實(shí)現(xiàn)這種功能的產(chǎn)品最多。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-1,缺點(diǎn)： 無法實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制 電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)非?？焖俚捻憫?yīng)

8、 所有運(yùn)動(dòng)控制部分都在驅(qū)動(dòng)器中完成，由于大部分驅(qū)動(dòng)器計(jì)算能力有限，要實(shí)現(xiàn)較高的控制要求往往很難實(shí)現(xiàn)。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,運(yùn)動(dòng)控制器完成位置環(huán)閉環(huán) 控制器輸出+/-10V速度指令信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器 伺服驅(qū)動(dòng)器工作于速度控制模式下，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)(速度環(huán)與電流環(huán))，驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)的換向。 在這種模式下，控制器必須接受反饋信號(hào)，否則不能實(shí)現(xiàn)控制。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,名詞解釋： 伺服周期：控制器每隔一個(gè)固定的時(shí)間，就對(duì)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)一次閉環(huán)控制：將控制器內(nèi)部計(jì)算的指令值與從外部傳感器獲得的實(shí)際值比較做差，得到誤差值，對(duì)該誤差值進(jìn)行PID等控制，實(shí)現(xiàn)減小偏

9、差。這個(gè)固定的間隔時(shí)間就稱為伺服周期。 伺服周期是控制器一個(gè)非常重要的指標(biāo)，伺服周期越短，電機(jī)響應(yīng)越快，能實(shí)現(xiàn)更快的加減速，對(duì)誤差糾正能力越強(qiáng)，調(diào)試效果也越好。 三閉環(huán)有各自的伺服周期，最重要的是位置環(huán)伺服周期。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,優(yōu)點(diǎn)： 可以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的精度，是在能實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制中對(duì)控制器要求最低的。 相比第1種策略，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)。 控制器中可以調(diào)試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更多樣化的控制。 能實(shí)現(xiàn)這種功能的產(chǎn)品較多。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,缺點(diǎn)： 對(duì)控制器要求較高，有些控制器只能發(fā)送脈沖，就不能實(shí)現(xiàn)這種及之后的策略?？刂破鞅仨毥邮辗答佇盘?hào)。 調(diào)試較第1種復(fù)雜一些，調(diào)

10、試時(shí)控制器中需要確定位置環(huán)極性，若極性不對(duì)，會(huì)出現(xiàn)飛車。 控制器及驅(qū)動(dòng)器可能都需要調(diào)試參數(shù)。 對(duì)屏蔽要求高，控制器與驅(qū)動(dòng)器共地。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,名詞解釋： 飛車：當(dāng)指令信號(hào)及反饋信號(hào)方向(符號(hào))不一致，控制器無法實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，而是形成了正反饋，位置誤差將越來越大，電機(jī)向一個(gè)方向飛速旋轉(zhuǎn)。 飛車一般只發(fā)生在第1次調(diào)試該電機(jī)時(shí)，當(dāng)確定好極性后，就不會(huì)再出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,避免飛車的方法： 在調(diào)試時(shí)，先開環(huán)調(diào)試。以這種策略為例，首先控制器開環(huán)，然后控制器發(fā)送1個(gè)較小的速度指令信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)將運(yùn)動(dòng)，再控制器中監(jiān)視反饋信號(hào)的讀數(shù)。正確的極性為：正電壓對(duì)應(yīng)反饋?zhàn)x數(shù)增

11、加，負(fù)電壓對(duì)應(yīng)反饋?zhàn)x數(shù)減小。否則，需要更改反饋信號(hào)或指令信號(hào)的極性。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-2,小知識(shí)控制器預(yù)防飛車或失控的策略 跟隨誤差限制：當(dāng)飛車時(shí)，跟隨誤差會(huì)越來越大，可以在控制器中設(shè)置跟隨誤差限制，當(dāng)達(dá)到或超過這個(gè)限制時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)切斷對(duì)驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)。電機(jī)將停止。 在最開始調(diào)試時(shí)，不要把這個(gè)限制設(shè)置的過小，否則電機(jī)可能經(jīng)常被禁能。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-3,控制器實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)(位置環(huán)與速度環(huán)) 控制器輸出+/-10V電流(轉(zhuǎn)矩)指令信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器。 驅(qū)動(dòng)器工作于電流(轉(zhuǎn)矩)控制模式下，驅(qū)動(dòng)器中完成單閉環(huán)(電流環(huán))，驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)的換向。 控制器需要接收編碼器或光柵尺反饋信號(hào)，控制

12、器中位置環(huán)與速度環(huán)反饋可以來自于相同的反饋信號(hào)，也可來自于不同的反饋信號(hào)(雙反饋)。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-3,優(yōu)點(diǎn)： 可實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)反饋控制。 電機(jī)的響應(yīng)比前兩種策略更快。 能實(shí)現(xiàn)該功能的產(chǎn)品較多，是最常用的直線電機(jī)的控制方式。 可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制及閉環(huán)位置控制的靈活切換。 全部PID參數(shù)都在控制器完成，調(diào)試更簡單,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-3,缺點(diǎn)： 與控制策略2基本類似，這里不再贅述。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-4,控制器中實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)(位置環(huán)與速度環(huán))，控制器負(fù)責(zé)電機(jī)換向。 控制器輸出兩相(或三相)空間相位互差120的電流指令信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器。 驅(qū)動(dòng)器工作于兩相或三相電流模式，驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)電

13、流環(huán)閉環(huán)。 這種方式效果同策略3，但是支持這種功能的控制器與驅(qū)動(dòng)器較少，因此應(yīng)用很少。(EMAC,PMAC，ACS控制器等),控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-5,控制器實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)控制(位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán))，控制器負(fù)責(zé)電機(jī)換向。 控制器輸出直接PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，因此這種方式也叫直接PWM控制。 驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)純粹的PWM放大器。 控制器除接收位置反饋信號(hào)外，還必須接收電流反饋信號(hào)。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-5,優(yōu)點(diǎn)： 所有工作都在控制器中完成，響應(yīng)是最快的。 能實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的控制。 所有的閉環(huán)環(huán)節(jié)都在控制器內(nèi)部完成，不容易引入干擾。實(shí)現(xiàn)超高精度的控制(納米級(jí))。 在控制器中可以獲得更多的電機(jī)相關(guān)參數(shù)及

14、狀態(tài)(電機(jī)電流，溫度，相位，狀態(tài)等),控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-5,缺點(diǎn)： 對(duì)控制器要求很高，只有極少數(shù)較高端的控制器才支持這個(gè)功能(除1型卡外的PMAC,ACS控制器)。 伺服驅(qū)動(dòng)器需要直接PWM驅(qū)動(dòng)器，這種產(chǎn)品市場(chǎng)并不多。 需要在控制器中調(diào)試更多的參數(shù)。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6,總線型工業(yè)以太網(wǎng),控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6,控制器與驅(qū)動(dòng)器之間通過全數(shù)字總線相連接。 每個(gè)驅(qū)動(dòng)器自己就構(gòu)成了1個(gè)節(jié)點(diǎn)(Node)，驅(qū)動(dòng)器中完成三閉環(huán)(位置環(huán)，速度環(huán)及電流環(huán))，及電機(jī)的換向。 控制器輸出位置指令信號(hào)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。 系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以通過總線組合在一起。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6,優(yōu)點(diǎn)： 可以

15、實(shí)現(xiàn)非常多的軸的控制。甚至100個(gè)軸的控制。 可以實(shí)現(xiàn)分布式控制，因?yàn)閭鬟f的是全數(shù)字總線協(xié)議，控制器與單臺(tái)驅(qū)動(dòng)器可以距離很遠(yuǎn)，理論最遠(yuǎn)可達(dá)100米。 可以實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 以太網(wǎng)具有100Mbps的傳輸速率，保證了信號(hào)在各節(jié)點(diǎn)間傳遞的及時(shí)性。 控制器與驅(qū)動(dòng)器接線很簡單。 在控制器中也能獲得很多電機(jī)相關(guān)的參數(shù)及狀態(tài)(同策略5) 可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與PLC的完美結(jié)合。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6,缺點(diǎn)： 成本高?？刂破髋c驅(qū)動(dòng)器都需要支持相同的總線協(xié)議，且驅(qū)動(dòng)器要完成3閉環(huán)，需要更高的處理能力。 總線協(xié)議太多，不同廠家的總線產(chǎn)品往往不能互換。 很難實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6

16、,貝加萊，Parker等公司的POWERLINK產(chǎn)品。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6,德國倍福，以色列ACS等公司的EtherCAT產(chǎn)品。,控制器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合策略-6,丹納赫公司的SynqNet產(chǎn)品,如何快速的讓電機(jī)運(yùn)動(dòng)起來,讓電機(jī)快速運(yùn)動(dòng)起來,控制器廠商都會(huì)提供一個(gè)界面友好的運(yùn)行在Windows系統(tǒng)的控制器配套軟件。 EMAC：Pro-Motion ACR9000：ACR-View PMAC:Pewin32PRO ACS控制器：SPiiPlus Suite,讓電機(jī)快速運(yùn)動(dòng)起來,這些軟件都含有一個(gè)向?qū)ВQ為配置向?qū)?。這個(gè)向?qū)⒁龑?dǎo)我們快速配置電機(jī)軸的一系列參數(shù)，讓我們的電機(jī)快速運(yùn)動(dòng)起來。 盡管各

17、控制器廠商提供的軟件不同，但都具有一系列的共性。 我們以EMAC控制器的Pro-Motion軟件的配置向?qū)槔齺碚f明。,Pro-Motion,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,運(yùn)行配置向?qū)?Pro-Motion：電機(jī)軸配置,電機(jī)選擇：選擇所控制的電機(jī)類型,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,編碼器選擇(位置環(huán)反饋設(shè)置）：選擇使用的反饋設(shè)備類型。,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,編碼器(位置環(huán)反饋測(cè)試): 1：測(cè)試反饋?zhàn)x數(shù)是否正確 2：測(cè)試電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與編碼器反饋方向是否一致,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,電機(jī)控制信號(hào)選擇 ：選擇與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相匹配的控制信號(hào),Pro-Motion：電機(jī)軸配置

18、,電機(jī)輸出測(cè)試：在該對(duì)話框中，我們給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)開環(huán)電壓指令信號(hào)，測(cè)試電機(jī)指令電壓與位置環(huán)反饋方向是否一致。即正電壓對(duì)應(yīng)反饋值增加，負(fù)電壓對(duì)應(yīng)反饋值減小。若不滿足該條件，則反饋極性反了，此時(shí)若閉位置環(huán)電機(jī)會(huì)飛車，我們應(yīng)避免這種情況。,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,伺服環(huán)調(diào)整：可以自動(dòng)調(diào)整也可以手動(dòng)調(diào)整參數(shù)。建議手動(dòng)調(diào)整。 注：Kp和Kd值務(wù)必不能為0，否則可能導(dǎo)致電機(jī)飛車。因此務(wù)必在這里為Kp和Kd值設(shè)置一個(gè)較小值。,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,位置捕捉信號(hào)：該對(duì)話框選擇硬件位置捕捉功能的觸發(fā)信號(hào),Pro-Motion：電機(jī)軸配置,位置捕捉信號(hào)測(cè)試：根據(jù)上一步中所選擇的位置捕捉信號(hào)，在

19、本對(duì)話框中可以測(cè)試位置捕捉功能。,Pro-Motion：電機(jī)軸配置,限位開關(guān)信號(hào)測(cè)試：測(cè)試限位開關(guān)狀態(tài)，可以修改限位開關(guān)的極性。,控制器有哪些類型的運(yùn)動(dòng),重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù),常用的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：加速度(加速時(shí)間)，減速度(減速時(shí)間)，速度，運(yùn)動(dòng)位置等。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)Or增量運(yùn)動(dòng) 梯形曲線加減速： 加減速恒定,重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù),S型曲線加減速變加減速,重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù),小知識(shí)：加加速度(Jerk)。加速度的變化率，即加速度的1階導(dǎo)數(shù)。 加加速度對(duì)加速度的影響 1、加加速度大,重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù),加加速度?。?ACC 100 DEC 100 VEL 10 STP 100 JRK 500 X4,運(yùn)動(dòng)參數(shù)的單位,我們?cè)诔绦?/p>

20、中設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)值有什么含義？它們的單位是什么？ 控制器內(nèi)部最原始的單位都是脈沖(反饋脈沖或指令脈沖)。 很多控制器都允許我們?cè)O(shè)定一個(gè)比率值，稱為軸比，是用戶單位對(duì)應(yīng)的脈沖值。控制器會(huì)自動(dòng)完成用戶單位到內(nèi)部脈沖的轉(zhuǎn)換。,多樣的運(yùn)動(dòng)方式,單軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng) 單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)：通過設(shè)定每個(gè)軸的加速度(加速時(shí)間)，減速度(減速時(shí)間)，加加速度，位置(增量或絕對(duì))等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制單軸運(yùn)動(dòng) 連續(xù)運(yùn)動(dòng)(JOG運(yùn)動(dòng))，電機(jī)按照設(shè)定的加速度，加速度，加加速度及運(yùn)動(dòng)方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)。,多樣的運(yùn)動(dòng)方式,小知識(shí)：單軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)并不一定是在同一時(shí)間只有一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。 在同一時(shí)間仍然可以有多個(gè)軸執(zhí)行單軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軸都按照自己設(shè)定的

21、運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軸互不影響。,多樣的運(yùn)動(dòng)方式,多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 插補(bǔ)運(yùn)動(dòng) 跟隨運(yùn)動(dòng) 龍門架鎖存(兩軸),插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),各個(gè)軸之間按照一定的數(shù)學(xué)模型協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)空間軌跡的加工或更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)，螺旋線插補(bǔ)，樣條插補(bǔ)等。 加速度，減速度，加加速度，速度等參數(shù)并不是針對(duì)于一個(gè)軸的，而是一個(gè)矢量。,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),直線插補(bǔ)：空間軌跡是1條直線。 各個(gè)軸的加速度，減速度，加加速度，速度等參數(shù)按照各軸的運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行矢量分配。矢量速度通常稱為進(jìn)給率。 采用相同的插補(bǔ)算法可以擴(kuò)展到3個(gè)軸以上,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),ACC 750 DEC 750 VEL 75 STP 750 X25 Y15 absolute mo

22、ve X 25mm & Y 15mm,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),小知識(shí)：軌跡產(chǎn)生周期。與伺服周期類似，控制器以一個(gè)固定的時(shí)間周期，根據(jù)插補(bǔ)算法計(jì)算每個(gè)軸在該周期中產(chǎn)生的指令位置。 軌跡產(chǎn)生周期大于等于伺服周期。,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),圓弧插補(bǔ) 加工軌跡是一個(gè)圓或弧，通常為2軸。 參與圓弧插補(bǔ)的兩個(gè)軸分別的運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦曲線及余弦曲線。 圓弧插補(bǔ)的矢量速度通常為圓弧的線速度。 圓弧插補(bǔ)分逆時(shí)針畫圓(CCW)與順時(shí)針畫圓(CW)兩個(gè)方向。 圓弧插補(bǔ)通常有圓心法(給出圓心的坐標(biāo))及半徑法(給出半徑的長度)兩種方法。 若半徑變化將形成螺旋線插補(bǔ)。,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),復(fù)雜軌跡小線段運(yùn)動(dòng) 將復(fù)雜軌跡分解為小的直線與圓弧插補(bǔ)的組合

23、分解的越細(xì)，軌跡點(diǎn)越多，曲線也越精確。 每個(gè)小線段實(shí)現(xiàn)平滑銜接，每個(gè)小線段的末速度不降為0. 要占用大量的控制器存儲(chǔ)，若存儲(chǔ)空間不夠，可以采用旋轉(zhuǎn)緩存的方法。,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),三次樣條插補(bǔ)(SPLINE)，NURBS插補(bǔ) 基于三次多樣式的插補(bǔ)算法 需要很少的點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的曲線 兩軸參與插補(bǔ)可以實(shí)現(xiàn)樣條曲線，可以擴(kuò)展到更多軸形成樣條曲面等。,插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),跟隨運(yùn)動(dòng),電子齒輪 是一種速度的跟隨方式，代替實(shí)際的機(jī)械齒輪 通常有1個(gè)主軸，其他軸(從軸)可以跟隨主軸的編碼器位置或主軸的指令位置。主軸可以是實(shí)際的主軸也可以是虛擬主軸。 主軸運(yùn)動(dòng)，從軸按照設(shè)定的齒輪比跟隨主軸運(yùn)動(dòng)；主軸停止，從軸也停止

24、。,跟隨運(yùn)動(dòng),齒輪比通?？梢栽谶\(yùn)動(dòng)中修改 電子齒輪運(yùn)動(dòng)通?？梢酝ㄟ^指令或者外部信號(hào)觸發(fā)。 應(yīng)用：貼標(biāo)機(jī)，繞線機(jī)等。,跟隨運(yùn)動(dòng),電子凸輪 是一種位置的跟隨運(yùn)動(dòng) 通常有1個(gè)主軸，其他軸(從軸)可以跟隨主軸的編碼器位置或主軸的指令位置。主軸可以是實(shí)際的主軸也可以是虛擬主軸。 從軸需要事先定義凸輪軌跡，主軸運(yùn)動(dòng)，從軸按照定義的軌跡跟隨主軸運(yùn)動(dòng)。從軸運(yùn)動(dòng)的位置與主軸有明確的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。,跟隨運(yùn)動(dòng),跟隨運(yùn)動(dòng),凸輪運(yùn)動(dòng)可通過指令觸發(fā)，或者外部信號(hào)觸發(fā)。 某些控制器支持動(dòng)態(tài)修改凸輪點(diǎn)(EMAC)。 凸輪運(yùn)動(dòng)有周期性凸輪與非周期性凸輪。 凸輪應(yīng)用：紡織機(jī)械，包裝設(shè)備，多色套印設(shè)備，折彎機(jī)械等。,龍門架同步,龍

25、門架同步,若采用兩軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)軸由于會(huì)由于調(diào)試參數(shù)及負(fù)載的差異影響同步性。 若采用跟隨方式，從軸與主軸間會(huì)存在1個(gè)周期的誤差，且若從軸出問題，主軸并不會(huì)停止。 一些控制器支持更高精度的龍門架同步方式，實(shí)現(xiàn)更棒的兩軸同步。ACR9000，ACS Motion等。,龍門架同步,幾種同步方式的比較,插補(bǔ)方式：主要實(shí)現(xiàn)各種軌跡的加工。插補(bǔ)方式越復(fù)雜，控制器的計(jì)算量越大。 跟隨方式：可以實(shí)現(xiàn)從軸與主軸間較精確的位置與速度的同步，軸數(shù)可以擴(kuò)展到很多。但是從軸與主軸間通常有1個(gè)伺服周期的同步誤差。 龍門架方式：最精確的兩軸同步。但不是所有控制器都支持，通常只限于兩個(gè)軸的同步。,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制,調(diào)

26、試PID參數(shù),調(diào)試PID參數(shù),調(diào)試PID參數(shù),調(diào)試PID參數(shù),比例增益(P)：增大比例增益可以提高系統(tǒng)的剛性及響應(yīng)性，減少系統(tǒng)的誤差(穩(wěn)態(tài)誤差及運(yùn)動(dòng)階段的誤差)。 過大的比例增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩不穩(wěn)定。,調(diào)試PID參數(shù),調(diào)試PID參數(shù),積分增益(I)：增大積分增益可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。提高系統(tǒng)的定位精度。 積分是一個(gè)緩慢的消除過程，只要有誤差，積分作用就會(huì)消除誤差。 積分過大會(huì)導(dǎo)致大的超調(diào)。 積分限制：無限制的積分對(duì)系統(tǒng)不利，限制積分的作用。,調(diào)試PID參數(shù),微分增益(D)：增加微分增益可以提高系統(tǒng)的阻尼，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并減少系統(tǒng)的超調(diào)。 增加微分增益會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)性。 過大的微分增益也

27、會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩。,調(diào)試PID參數(shù),速度前饋：減少勻速階段的位置跟隨誤差。 加速度前饋：減少加速度階段的位置跟隨誤差。 它們都是對(duì)誤差的超前矯正。,調(diào)試PID參數(shù),調(diào)試PID參數(shù),常用的調(diào)試方法： 階躍響應(yīng)法：先調(diào)P,D參數(shù)，兩個(gè)參數(shù)配合來調(diào)試；再調(diào)I參數(shù)，最后增加前饋參數(shù)。 臨界振蕩法：先調(diào)速度環(huán)的D參數(shù)，再調(diào)位置環(huán)的P參數(shù)，增大P參數(shù)直到出現(xiàn)振蕩，再降低P參數(shù)為當(dāng)前值的80%左右。,調(diào)試PID參數(shù),Bi-Quid二階濾波器，通?？梢耘渲贸傻屯V波器或限波濾波器。,調(diào)試PID參數(shù),某些控制器還支持頻域調(diào)試的方法，比如ACS控制器。,系統(tǒng)安全,通常控制系統(tǒng)中都會(huì)有一些措施保護(hù)我們的設(shè)備及人身的

28、安全。 根據(jù)控制器與驅(qū)動(dòng)器的不同結(jié)合方式，響應(yīng)的保護(hù)分布在控制器及驅(qū)動(dòng)器中。 限位開關(guān)：包括軟件限位開關(guān)及硬件限位開關(guān)信號(hào)。 跟隨誤差限制。,系統(tǒng)安全,反饋信號(hào)斷線檢測(cè)。 控制器讀取驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警輸入信號(hào)。 電機(jī)過電流檢測(cè)。 電機(jī)過載保護(hù)，過溫保護(hù)等。 急停開關(guān)?？焖偾袛嚯姍C(jī)動(dòng)力。 除了電控上的保護(hù)，仍然需要機(jī)械保護(hù)。,提供系統(tǒng)精度？,提供系統(tǒng)的精度,小知識(shí)：與系統(tǒng)精度相關(guān)的重要指標(biāo)。 定位精度：通過外部的檢測(cè)設(shè)備，通常為激光干涉儀，多面體(檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái))等，檢測(cè)系統(tǒng)絕對(duì)的定位誤差。 重復(fù)定位精度：系統(tǒng)多次運(yùn)動(dòng)到同一位置時(shí)，最大定位誤差與最小定位誤差間的差值。,提供系統(tǒng)的精度,好的機(jī)械精度是保證。

29、采用全閉環(huán)反饋方式可以消除機(jī)械傳動(dòng)帶來的誤差。 對(duì)誤差進(jìn)行分析，是否是反向間隙誤差？誤差是否是線性的？誤差還是非線性的？對(duì)于這些誤差，考慮補(bǔ)償方法，通過修改指令位置的方式來調(diào)整電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置。 控制系統(tǒng)具有良好的接地與屏蔽，減少外部引入的干擾。,提供系統(tǒng)的精度,對(duì)于反向間隙誤差：可以通過控制器的反向間隙補(bǔ)償來減少。 對(duì)于線性誤差，比如光柵尺貼與平臺(tái)水平面有一個(gè)固夾角，可以通過乘以一個(gè)系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 對(duì)于非線性誤差，比如絲杠誤差，光柵尺平整度誤差等，可以用控制器的絲杠補(bǔ)償表功能來實(shí)現(xiàn)。,提供系統(tǒng)的精度,程序開發(fā),程序開發(fā),要讓系統(tǒng)按照我們的想法工作，程序開發(fā)是必不可少的非常重要的一環(huán)。 我們往往

30、要花費(fèi)相當(dāng)大的精力在程序開發(fā)中。 程序通常包括控制器程序，及上位機(jī)程序(GUI)。,程序的運(yùn)行方式,獨(dú)立式控制器：控制程序完全放在控制器中，完全脫機(jī)(不需要PC機(jī))運(yùn)行，可通過I/O實(shí)現(xiàn)交互。 優(yōu)點(diǎn)：執(zhí)行效率最高，可靠性最好。 缺點(diǎn)：可利用的資源有限。,程序的運(yùn)行方式,程序完全位于PC中。 優(yōu)點(diǎn)：可以利用大量的PC資源。 缺點(diǎn)：可靠性及執(zhí)行效率比獨(dú)立式控制器方式略差。,程序的運(yùn)行方式,混合式：程序位于控制器及PC中。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合了上面兩種的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中我們大多使用的方式。 缺點(diǎn)：需要寫兩部分程序，并需要考慮之間的交互。,程序的運(yùn)行方式,PC-Based控制器：倍福，貝加萊等公司的控制系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)的Windows系統(tǒng)中嵌入了1個(gè)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核。 可以將