运动控制系统设计

运动控制系统 哈尔滨理工大学自动化学院主讲教师 许家忠 运动控制系统中的控制器 分类 PLCPC 运动控制器开放式结构固高PMACTRIO专用控制器 PLC 定义 PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术 计算机技术 自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置 目的是用来取代继电器执行逻辑 记时 计数等顺序控制功能 建立柔性的程控系统 PLC 定义 国际电工委员会 IEC 颁布了对PLC的规定 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存贮器 用来在其内部存贮执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字的 模拟的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器及其有关设备都应按易与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 PLC具有通用性强 使用方便 适应面广 可靠性高 抗干扰能力强 编程简单等特点 PLC 结构 PLC分为一体式和模块式两种结构 但它们的组成是相同的 都有CPU I O 内存 电源等 无论哪种结构类型的PLC 都属于总线式开放型结构 其I O能力可按用户需要进行扩展与组合 一般一体式在微小型PLC中采用 其CPU板 I O板 电源板等集成在一个模块中 目的是降低成本 满足用户经济实用的要求 它通过扩展电缆连接扩展模块 中大型PLC对性能 容量 网络 I O能力 可靠性等要求很高 一般采用模块式 电源 CPU I O都单独成模块 插在底板或机架上 构成一个整体系统 PLC 结构 PLC应用 PLC国内市场目前主要有三大流派 占中国市场份额90 以上 美国 ROCKWELL GE 欧洲 西门子 施耐德 日本 三菱 OMRON 在大中型PLC市场 西门子占据优势 其次是施耐德 ROCKWELL GE 日系品牌竞争力较弱 在微小型PLC市场 三菱 OMRON 西门子占据了绝大多数份额 其品牌份额较少 工作原理 PLC是按循环扫描方式运行的 在PLC出厂时 只有系统软件 用户必须根据工艺要求编写自己的用户程序 才能实现控制 当PLC处于运行状态时 系统顺序 循环地执行 PLC四种任务 执行用户程序 系统顺序执行用户程序的指令序列 从第一条主程序指令开始 逐一执行用户程序的指令序列 直到执行完主程序结束指令为止 通讯任务 与编程软件 上位组态软件 触摸屏等通讯时 响应下达的通讯命令 内务处理 处理各种系统内务 如刷新面板指示灯 更新软件计时器和计数器值 刷新特殊中间继电器和特殊数据寄存器 I O刷新 包括输出刷新阶段和输入刷新阶段 输出刷新阶段是根据Y元件的值 ON OFF 接通或断开对应的硬件输出端口 输入刷新阶段是将硬件输入端口的接通或断开状态 转换为对应的X元件值 ON OFF PC 运动控制器 结构有何优点 4倍频输入增量式编码器信号 其中编码器3000线 转速3000r min 那么控制器编码器信号接口输入信号频率至少为多少 PLC PCC PAC GT 400 SV四轴伺服运动控制器特点及控制轴运动控制方式 转矩控制 转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小 位置控制 位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小 通过脉冲的个数来确定转动的角度 也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值 由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制 所以一般应用于定位装置 速度模式 通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制 在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位 但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用 位置模式也支持直接负载外环检测位置信号 此时的电机轴端的编码器只检测电机转速 位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了 这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差 增加整个系统的定位精度 伺服电机的三环控制 伺服电机一般为三个环控制 所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统 最内的PID环就是电流环 此环完全在伺服驱动器内部进行 通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流 负反馈给电流的设定进行PID调节 从而达到输出电流尽量接近等于设定电流 电流环就是控制电机转矩的 所以在转矩模式下驱动器的运算最小 动态响应最快 第2环是速度环 通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节 它的环内PID输出直接就是电流环的设定 所以速度环控制时就包含了速度环和电流环 换句话说任何模式都必须使用电流环 电流环是控制的根本 在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流 转矩 的控制以达到对速度和位置的相应控制 第3环是位置环 它是最外环 可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建 要根据实际情况来定 由于位置控制环内部输出就是速度环的设定 位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算 此时的系统运算量最大 动态响应速度也最慢 伺服电机选型问题 在选择好机械传动方案以后 就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认 1 选型条件 一般情况下 选择伺服电机需满足下列情况 1 电机最大转速 系统所需之最高移动转速 2 电机的转子惯量与负载惯量相匹配 3 连续负载工作扭矩 电机额定扭矩4 马达最大输出扭矩 系统所需最大扭矩 加速时扭力 2 选型计算 1 惯量匹配计算 JL JM 2 回转速度计算 负载端转速 马达端转速 负载扭矩计算 连续负载工作扭矩 加速时扭矩 伺服电机的惯性匹配问题 在伺服系统选型及调试中 常会碰到惯量问题 具体表现为 1在伺服系统选型时 除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外 我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量 再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机 2在调试时 手动模式下 正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前题 此点在要求高速高精度的系统上表现由为突出 什么是 惯量匹配 1 根据牛顿第二定律 进给系统所需力矩T 系统传动惯量J 角加速度 角加速度 影响系统的动态特性 越小 则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长 系统反应越慢 如果 变化 则系统反应将忽快忽慢 影响加工精度 由于马达选定后最大输出T值不变 如果希望 的变化小 则J应该尽量小 2 进给轴的总惯量 J 伺服电机的旋转惯性动量JM 电机轴换算的负载惯性动量JL负载惯量JL由 以工具机为例 工作台及上面装的夹具和工件 螺杆 联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成 JM为伺服电机转子惯量 伺服电机选定后 此值就为定值 而JL则随工件等负载改变而变化 如果希望J变化率小些 则最好使JL所占比例小些 这就是通俗意义上的 惯量匹配 步进电机和交流伺服电机的性能差别 虽然两者在控制方式上相似 脉冲串和方向信号 但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异 如 1 制造精度不同 2 低频特性不同3 矩频特性不同4 过载能力不同5 运行性能不同6 速度响应性能不同 交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机 但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机 所以 在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求 成本等多方面的因素 选用适当的控制电机 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