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运动控制系统简介及简单应用 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 MotionControlSystem 也可称作电力拖动控制系统 ControlSystemsofElectricDrive 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 机械转动惯量 转子的机械角速度 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 运动控制系统简介 运动控制的分类 按实现目标 X Z Y 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 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 X Z Y 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 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 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DELTATAU 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 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 运动控制系统简介 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MKSBY125 CT150等 3 转矩控制模式 模拟量控制 10V 10V信号给定 如PMAC卡 美国DETALTAU 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 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 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 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 交流伺服系统的应用分析几个概念定位方式系统精度频带宽度交流伺服系统的整定机械系统的完备性由内至外的整定方式频带宽度与响应时间机械共振与定位时间 系统部件的选择 运动控制系统设计 1 需要确定方案 根据装置的运动和力学要求进行计算 确定电机类型及驱动器 减速器 位置检测装置的类型和规格 2 电机和传动机构的搭配结构 3 选择合适的系列运动控制器 通常根据伺服电机 编码器类型和数量进行选择 运动控制系统设计 4 电机的负载情况 包括电机的负载类型 是恒定负载还是变化负载 电机力矩转化为直线推力 或是旋转带动大惯量负载 电机负载是否随转速变化 推算电机在正常工作速度范围内所需的力矩 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 开环控制 步进电机 步距角的选择静力矩的选择电流的选择 开环控制 步进电机 驱动器 双极性恒流斩波技术 以下为最常见的控制方式示例 下图为MOTIONCONTROLER和伺服电机的信号形式 伺服电机的控制方式 PLC实现运动控制 下面介绍一下PLC在运动控制中的应用 以及应用的一些案例 以下以三菱PLC来介绍一下 PLC和运动控制 下面以三菱PLC为例来介绍PLC在运动控制中的应用 三菱MELSEC家族分为 FX Qn系列 和目前最新的L系列PLCFX1S系列 是一种集成型小型单元式PLC 且具有完整的性能和通讯功能等扩展性 如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择 FX1N系列 功能强大的普及型PLC 具有扩展输入输出 模拟量控制和通讯 链接功能等扩展性 是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC FX2N系列 FX家族中最先进的系列 具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点 为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力 FX3U 第三代三菱PLC 可能称得上是小型至尊产品 基本性能大幅提升 晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能 并且增加了新的定位指令 从而使得定位控制功能更加强大 使用更为方便 PLC和运动控制 Q系列是三菱机公司推出的大型PLC CPU类型有基本型CPU 高性能型CPU 过程控制CPU 运动控制CPU 冗余CPU等 可以满足各种复杂的控制需求 该系列产品中有两款专用的运动控制模块 Q172 Q173 称之为多CPU运动控制器 可实现8 32轴各种复杂的运动控制 包括直线插补 弧线插补