运动控制技术

1、运动控制技术,北京元茂兴 傅奕劼,什么是运动控制？,一个典型的运动控制系统构成,驱动机构 功率放大,运动控制研究的内容,对多台电机位置、速度、转矩等参数的精确、快速控制,控制单台电机的点位运动及多台电机的插补运动，实现我们希望 的加工轨迹及空间曲线,选择不同的控制方式及系统配置，实现最优控制,我们希望实现的,系统运行稳定可靠，连续运行的能力，抗干扰能力,高精度，包括定位精度，重复定位精度，动态跟随误差等,快速响应性好,快速上手，开发周期短,易于维护,运动控制系统,运动控制是自动控制中的一个重要分支。伺服控制是核心。 它是一个集自动化技术，计算机技术，机械技术，电子技术，通讯技术 等的综合技术。

2、,运动控制系统是一个比较复杂的系统，各个环节都对这个系统产生影响,可靠、功能强大的控制器，稳定的执行机构，精确的反馈机构 精密的机械结构等等,运动控制器(系统的大脑),执行编写的程序，控制执行机构的动作,完成伺服闭环的计算,通过插补计算，得出各个电机轴的位置,采集现场I/O信号，控制I/O设备,与PC及其他现场设备进行通讯,能够实现各种运算功能，程序的流程控制等。程序开发非常类似于PC上 开发程序。,执行机构步进电机,主要用于开环控制,步距角：一个脉冲对应的角度 常见1.8(2相)，0.72（5相） 加细分后可做到很小的步距角,优点：简单易用，刚度高，多为 直流供电，高细分的步进电机可做到很小

3、的步距角,缺点：开环控制丢脉冲影响精度，速度过小易出现低频振荡， 速度过高输出转矩下降。常用于100rpm300rpm间工作。,执行机构伺服电机,直流有刷电机,定子为永磁铁，转子上 是线圈绕组,单相电机，换向波形为方波 (梯形波),机械换向电刷及换向器,反馈：测速机或编码器,执行机构伺服电机,直流有刷电机,优点：结构简单，价格便宜；力矩波动小，速度波动小(测速机反馈)，多用于速度稳定性要求高的场合。,缺点：需要定期维护(更换电刷)；换向火花；散热困难影响寿命；最大速度不易超过3000rpm。,执行机构伺服电机,无刷电机,动子为永磁铁，电枢绕组在定子上。,三相电机，换向波形为三相正弦波。,电换向

4、。HALL信号检测磁极位置。,编码器反馈。,执行机构(四肢),执行运动控制器发出的控制信号，带动机械负载动作,步进电机、伺服电机、力矩电机、直线电机、直驱电机、音圈电机等,力矩电机,驱动机构 功率放大,力矩电机,力矩电机,可以提供低速、大转矩，取消了减速机构,低速稳定性好，力矩输出平稳，精度高，力矩波动小,直线电机,驱动机构 功率放大,直线电机,E-MOTION,直线电机可以看做将旋转电机沿径向剖开，然后将电机 沿圆周展成直线,取消了机械传动装置,无机械误差，高精度,无运动滞后现象，高响应性及高刚度,不受传动机构惯量及阻力矩影响，速度快，加减速时间短,无机械摩擦，噪音低,散热性好,直线电机,直

5、线电机,半导体芯片,DNA检测,印刷机构,磁悬浮列车,驱动器,功率放大，将控制信号放大为控制电机运行的电压（ 电流）信号，PWM放大技术,保护电机，过热，过载，过电流，欠电压等,伺服闭环,控制三相电的通电顺序,反馈设备,直接影响运动控制系统的精度,检测电机的位置、速度、电流及磁极位置,增量型编码器，绝对型编码器，旋转变压器，直线光栅，圆光栅,伺服系统(三闭环反馈系统),如何将现有的控制系统组合起来？,重点是控制器与驱动器的配合,控制器与驱动器结合的多种方式(策略) 在不同策略下控制器与驱动器各自输出及接收信号的类型 在不同策略下控制器与驱动器各自要完成的功能 各种策略的优缺点 常用的运动控制名

6、词,控制器与驱动器的结合,控制器与驱动器结合策略,我们归纳了6种控制器与驱动器的组合策略，基本上覆盖了目前运动控制领域中的所有组合。 每一种组合策略都有其优缺点，或者适用的场合。 始终抓住伺服系统的3闭环反馈系统的特性。不同的策略最主要的差别就是：这些闭环分别在哪里完成？电机由谁负责换向？,控制器与驱动器结合策略-1,运动控制器开环(不闭环) 运动控制器输出脉冲类型信号给伺服驱动器，类似于控制步进电机的工作方式 伺服驱动器工作于位置控制模式 伺服驱动器内部要完成三闭环(位置环，速度环及电流环)，伺服驱动器负责电机的换向。 在这种模式下，控制器仍然可以接收来自于驱动器的编码器信号或外部的光栅尺信

7、号，但是在控制器中不对这些信号做闭环。,控制器与驱动器结合策略-1,控制器与驱动器结合策略-1,小知识：常见的脉冲指令类型 1、脉冲+方向 2、CW/CCW 3、Encoder A/B,控制器与驱动器结合策略-1,优点： 运动控制器不需要完成任何闭环，对控制器要求较低，全部通用运动控制器都可以实现这个功能。控制器即使不接任何反馈也可以实现控制。 让电机运动起来很简单，几乎不会存在飞车的可能。 脉冲信号抗干扰能力较强，对屏蔽要求低。 控制器不需要调试PID参数，但驱动器中可能需要调试。 能实现这种功能的产品最多。,控制器与驱动器结合策略-1,缺点： 无法实现全闭环控制 电机无法实现非常快速的响应

8、 所有运动控制部分都在驱动器中完成，由于大部分驱动器计算能力有限，要实现较高的控制要求往往很难实现。,控制器与驱动器结合策略-2,运动控制器完成位置环闭环 控制器输出+/-10V速度指令信号给驱动器 伺服驱动器工作于速度控制模式下，在驱动器内部实现双闭环(速度环与电流环)，驱动器负责电机的换向。 在这种模式下，控制器必须接受反馈信号，否则不能实现控制。,控制器与驱动器结合策略-2,控制器与驱动器结合策略-2,名词解释： 伺服周期：控制器每隔一个固定的时间，就对伺服电机实现一次闭环控制：将控制器内部计算的指令值与从外部传感器获得的实际值比较做差，得到误差值，对该误差值进行PID等控制，实现减小偏

9、差。这个固定的间隔时间就称为伺服周期。 伺服周期是控制器一个非常重要的指标，伺服周期越短，电机响应越快，能实现更快的加减速，对误差纠正能力越强，调试效果也越好。 三闭环有各自的伺服周期，最重要的是位置环伺服周期。,控制器与驱动器结合策略-2,优点： 可以实现全闭环控制，提高系统的精度，是在能实现全闭环控制中对控制器要求最低的。 相比第1种策略，电机可以实现更快的响应。 控制器中可以调试参数，实现更多样化的控制。 能实现这种功能的产品较多。,控制器与驱动器结合策略-2,缺点： 对控制器要求较高，有些控制器只能发送脉冲，就不能实现这种及之后的策略。控制器必须接收反馈信号。 调试较第1种复杂一些，调

10、试时控制器中需要确定位置环极性，若极性不对，会出现飞车。 控制器及驱动器可能都需要调试参数。 对屏蔽要求高，控制器与驱动器共地。,控制器与驱动器结合策略-2,名词解释： 飞车：当指令信号及反馈信号方向(符号)不一致，控制器无法实现负反馈，而是形成了正反馈，位置误差将越来越大，电机向一个方向飞速旋转。 飞车一般只发生在第1次调试该电机时，当确定好极性后，就不会再出现飞车现象。,控制器与驱动器结合策略-2,避免飞车的方法： 在调试时，先开环调试。以这种策略为例，首先控制器开环，然后控制器发送1个较小的速度指令信号给驱动器，电机将运动，再控制器中监视反馈信号的读数。正确的极性为：正电压对应反馈读数增

11、加，负电压对应反馈读数减小。否则，需要更改反馈信号或指令信号的极性。,控制器与驱动器结合策略-2,小知识控制器预防飞车或失控的策略 跟随误差限制：当飞车时，跟随误差会越来越大，可以在控制器中设置跟随误差限制，当达到或超过这个限制时，控制器会自动切断对驱动器的使能信号。电机将停止。 在最开始调试时，不要把这个限制设置的过小，否则电机可能经常被禁能。,控制器与驱动器结合策略-3,控制器实现双闭环(位置环与速度环) 控制器输出+/-10V电流(转矩)指令信号给驱动器。 驱动器工作于电流(转矩)控制模式下，驱动器中完成单闭环(电流环)，驱动器负责电机的换向。 控制器需要接收编码器或光栅尺反馈信号，控制

12、器中位置环与速度环反馈可以来自于相同的反馈信号，也可来自于不同的反馈信号(双反馈)。,控制器与驱动器结合策略-3,优点： 可实现全闭环反馈控制。 电机的响应比前两种策略更快。 能实现该功能的产品较多，是最常用的直线电机的控制方式。 可以实现开环的转矩控制及闭环位置控制的灵活切换。 全部PID参数都在控制器完成，调试更简单,控制器与驱动器结合策略-3,缺点： 与控制策略2基本类似，这里不再赘述。,控制器与驱动器结合策略-4,控制器中实现双闭环(位置环与速度环)，控制器负责电机换向。 控制器输出两相(或三相)空间相位互差120的电流指令信号给驱动器。 驱动器工作于两相或三相电流模式，驱动器中实现电

13、流环闭环。 这种方式效果同策略3，但是支持这种功能的控制器与驱动器较少，因此应用很少。(EMAC,PMAC，ACS控制器等),控制器与驱动器结合策略-5,控制器实现三闭环控制(位置环，速度环，电流环)，控制器负责电机换向。 控制器输出直接PWM信号给驱动器，因此这种方式也叫直接PWM控制。 驱动器是一个纯粹的PWM放大器。 控制器除接收位置反馈信号外，还必须接收电流反馈信号。,控制器与驱动器结合策略-5,优点： 所有工作都在控制器中完成，响应是最快的。 能实现最复杂的控制。 所有的闭环环节都在控制器内部完成，不容易引入干扰。实现超高精度的控制(纳米级)。 在控制器中可以获得更多的电机相关参数及

14、状态(电机电流，温度，相位，状态等),控制器与驱动器结合策略-5,缺点： 对控制器要求很高，只有极少数较高端的控制器才支持这个功能(除1型卡外的PMAC,ACS控制器)。 伺服驱动器需要直接PWM驱动器，这种产品市场并不多。 需要在控制器中调试更多的参数。,控制器与驱动器结合策略-6,总线型工业以太网,控制器与驱动器结合策略-6,控制器与驱动器之间通过全数字总线相连接。 每个驱动器自己就构成了1个节点(Node)，驱动器中完成三闭环(位置环，速度环及电流环)，及电机的换向。 控制器输出位置指令信号给每个节点。 系统中的各个环节都可以通过总线组合在一起。,控制器与驱动器结合策略-6,优点： 可以

15、实现非常多的轴的控制。甚至100个轴的控制。 可以实现分布式控制，因为传递的是全数字总线协议，控制器与单台驱动器可以距离很远，理论最远可达100米。 可以实现不同的网络拓扑结构。 以太网具有100Mbps的传输速率，保证了信号在各节点间传递的及时性。 控制器与驱动器接线很简单。 在控制器中也能获得很多电机相关的参数及状态(同策略5) 可以实现运动控制器与PLC的完美结合。,控制器与驱动器结合策略-6,缺点： 成本高。控制器与驱动器都需要支持相同的总线协议，且驱动器要完成3闭环，需要更高的处理能力。 总线协议太多，不同厂家的总线产品往往不能互换。 很难实现全闭环控制。,控制器与驱动器结合策略-6

16、,贝加莱，Parker等公司的POWERLINK产品。,控制器与驱动器结合策略-6,德国倍福，以色列ACS等公司的EtherCAT产品。,控制器与驱动器结合策略-6,丹纳赫公司的SynqNet产品,如何快速的让电机运动起来,让电机快速运动起来,控制器厂商都会提供一个界面友好的运行在Windows系统的控制器配套软件。 EMAC：Pro-Motion ACR9000：ACR-View PMAC:Pewin32PRO ACS控制器：SPiiPlus Suite,让电机快速运动起来,这些软件都含有一个向导，称为配置向导。这个向导将引导我们快速配置电机轴的一系列参数，让我们的电机快速运动起来。 尽管各

17、控制器厂商提供的软件不同，但都具有一系列的共性。 我们以EMAC控制器的Pro-Motion软件的配置向导为例来说明。,Pro-Motion,Pro-Motion：电机轴配置,运行配置向导,Pro-Motion：电机轴配置,电机选择：选择所控制的电机类型,Pro-Motion：电机轴配置,编码器选择(位置环反馈设置）：选择使用的反馈设备类型。,Pro-Motion：电机轴配置,编码器(位置环反馈测试): 1：测试反馈读数是否正确 2：测试电机运动方向与编码器反馈方向是否一致,Pro-Motion：电机轴配置,电机控制信号选择 ：选择与电机驱动器相匹配的控制信号,Pro-Motion：电机轴配置

18、,电机输出测试：在该对话框中，我们给驱动器一个开环电压指令信号，测试电机指令电压与位置环反馈方向是否一致。即正电压对应反馈值增加，负电压对应反馈值减小。若不满足该条件，则反馈极性反了，此时若闭位置环电机会飞车，我们应避免这种情况。,Pro-Motion：电机轴配置,伺服环调整：可以自动调整也可以手动调整参数。建议手动调整。 注：Kp和Kd值务必不能为0，否则可能导致电机飞车。因此务必在这里为Kp和Kd值设置一个较小值。,Pro-Motion：电机轴配置,位置捕捉信号：该对话框选择硬件位置捕捉功能的触发信号,Pro-Motion：电机轴配置,位置捕捉信号测试：根据上一步中所选择的位置捕捉信号，在

19、本对话框中可以测试位置捕捉功能。,Pro-Motion：电机轴配置,限位开关信号测试：测试限位开关状态，可以修改限位开关的极性。,控制器有哪些类型的运动,重要的运动参数,常用的运动参数：加速度(加速时间)，减速度(减速时间)，速度，运动位置等。绝对运动Or增量运动 梯形曲线加减速： 加减速恒定,重要的运动参数,S型曲线加减速变加减速,重要的运动参数,小知识：加加速度(Jerk)。加速度的变化率，即加速度的1阶导数。 加加速度对加速度的影响 1、加加速度大,重要的运动参数,加加速度小： ACC 100 DEC 100 VEL 10 STP 100 JRK 500 X4,运动参数的单位,我们在程序

20、中设定的运动参数值有什么含义？它们的单位是什么？ 控制器内部最原始的单位都是脉冲(反馈脉冲或指令脉冲)。 很多控制器都允许我们设定一个比率值，称为轴比，是用户单位对应的脉冲值。控制器会自动完成用户单位到内部脉冲的转换。,多样的运动方式,单轴独立运动 单轴点位运动：通过设定每个轴的加速度(加速时间)，减速度(减速时间)，加加速度，位置(增量或绝对)等运动参数，控制单轴运动 连续运动(JOG运动)，电机按照设定的加速度，加速度，加加速度及运动方向连续运动。,多样的运动方式,小知识：单轴独立运动并不一定是在同一时间只有一个轴的运动。 在同一时间仍然可以有多个轴执行单轴独立运动，各个轴都按照自己设定的

21、运动参数运动，各个轴互不影响。,多样的运动方式,多轴协调运动 插补运动 跟随运动 龙门架锁存(两轴),插补运动,各个轴之间按照一定的数学模型协调运动，实现空间轨迹的加工或更复杂的运动。 直线插补，圆弧插补，螺旋线插补，样条插补等。 加速度，减速度，加加速度，速度等参数并不是针对于一个轴的，而是一个矢量。,插补运动,直线插补：空间轨迹是1条直线。 各个轴的加速度，减速度，加加速度，速度等参数按照各轴的运动位置进行矢量分配。矢量速度通常称为进给率。 采用相同的插补算法可以扩展到3个轴以上,插补运动,ACC 750 DEC 750 VEL 75 STP 750 X25 Y15 absolute mo

22、ve X 25mm & Y 15mm,插补运动,小知识：轨迹产生周期。与伺服周期类似，控制器以一个固定的时间周期，根据插补算法计算每个轴在该周期中产生的指令位置。 轨迹产生周期大于等于伺服周期。,插补运动,圆弧插补 加工轨迹是一个圆或弧，通常为2轴。 参与圆弧插补的两个轴分别的运动轨迹是正弦曲线及余弦曲线。 圆弧插补的矢量速度通常为圆弧的线速度。 圆弧插补分逆时针画圆(CCW)与顺时针画圆(CW)两个方向。 圆弧插补通常有圆心法(给出圆心的坐标)及半径法(给出半径的长度)两种方法。 若半径变化将形成螺旋线插补。,插补运动,插补运动,复杂轨迹小线段运动 将复杂轨迹分解为小的直线与圆弧插补的组合

23、分解的越细，轨迹点越多，曲线也越精确。 每个小线段实现平滑衔接，每个小线段的末速度不降为0. 要占用大量的控制器存储，若存储空间不够，可以采用旋转缓存的方法。,插补运动,三次样条插补(SPLINE)，NURBS插补 基于三次多样式的插补算法 需要很少的点就可以实现很复杂的曲线 两轴参与插补可以实现样条曲线，可以扩展到更多轴形成样条曲面等。,插补运动,插补运动,跟随运动,电子齿轮 是一种速度的跟随方式，代替实际的机械齿轮 通常有1个主轴，其他轴(从轴)可以跟随主轴的编码器位置或主轴的指令位置。主轴可以是实际的主轴也可以是虚拟主轴。 主轴运动，从轴按照设定的齿轮比跟随主轴运动；主轴停止，从轴也停止

24、。,跟随运动,齿轮比通常可以在运动中修改 电子齿轮运动通常可以通过指令或者外部信号触发。 应用：贴标机，绕线机等。,跟随运动,电子凸轮 是一种位置的跟随运动 通常有1个主轴，其他轴(从轴)可以跟随主轴的编码器位置或主轴的指令位置。主轴可以是实际的主轴也可以是虚拟主轴。 从轴需要事先定义凸轮轨迹，主轴运动，从轴按照定义的轨迹跟随主轴运动。从轴运动的位置与主轴有明确的位置对应关系。,跟随运动,跟随运动,凸轮运动可通过指令触发，或者外部信号触发。 某些控制器支持动态修改凸轮点(EMAC)。 凸轮运动有周期性凸轮与非周期性凸轮。 凸轮应用：纺织机械，包装设备，多色套印设备，折弯机械等。,龙门架同步,龙

25、门架同步,若采用两轴直线插补运动，两个轴由于会由于调试参数及负载的差异影响同步性。 若采用跟随方式，从轴与主轴间会存在1个周期的误差，且若从轴出问题，主轴并不会停止。 一些控制器支持更高精度的龙门架同步方式，实现更棒的两轴同步。ACR9000，ACS Motion等。,龙门架同步,几种同步方式的比较,插补方式：主要实现各种轨迹的加工。插补方式越复杂，控制器的计算量越大。 跟随方式：可以实现从轴与主轴间较精确的位置与速度的同步，轴数可以扩展到很多。但是从轴与主轴间通常有1个伺服周期的同步误差。 龙门架方式：最精确的两轴同步。但不是所有控制器都支持，通常只限于两个轴的同步。,实现稳定可靠的控制,调

26、试PID参数,调试PID参数,调试PID参数,调试PID参数,比例增益(P)：增大比例增益可以提高系统的刚性及响应性，减少系统的误差(稳态误差及运动阶段的误差)。 过大的比例增益会导致系统震荡不稳定。,调试PID参数,调试PID参数,积分增益(I)：增大积分增益可以消除系统的稳态误差。提高系统的定位精度。 积分是一个缓慢的消除过程，只要有误差，积分作用就会消除误差。 积分过大会导致大的超调。 积分限制：无限制的积分对系统不利，限制积分的作用。,调试PID参数,微分增益(D)：增加微分增益可以提高系统的阻尼，提高系统的稳定性。并减少系统的超调。 增加微分增益会降低系统的响应性。 过大的微分增益也

27、会导致系统的振荡。,调试PID参数,速度前馈：减少匀速阶段的位置跟随误差。 加速度前馈：减少加速度阶段的位置跟随误差。 它们都是对误差的超前矫正。,调试PID参数,调试PID参数,常用的调试方法： 阶跃响应法：先调P,D参数，两个参数配合来调试；再调I参数，最后增加前馈参数。 临界振荡法：先调速度环的D参数，再调位置环的P参数，增大P参数直到出现振荡，再降低P参数为当前值的80%左右。,调试PID参数,Bi-Quid二阶滤波器，通常可以配置成低通滤波器或限波滤波器。,调试PID参数,某些控制器还支持频域调试的方法，比如ACS控制器。,系统安全,通常控制系统中都会有一些措施保护我们的设备及人身的

28、安全。 根据控制器与驱动器的不同结合方式，响应的保护分布在控制器及驱动器中。 限位开关：包括软件限位开关及硬件限位开关信号。 跟随误差限制。,系统安全,反馈信号断线检测。 控制器读取驱动器的报警输入信号。 电机过电流检测。 电机过载保护，过温保护等。 急停开关。快速切断电机动力。 除了电控上的保护，仍然需要机械保护。,提供系统精度？,提供系统的精度,小知识：与系统精度相关的重要指标。 定位精度：通过外部的检测设备，通常为激光干涉仪，多面体(检测转台)等，检测系统绝对的定位误差。 重复定位精度：系统多次运动到同一位置时，最大定位误差与最小定位误差间的差值。,提供系统的精度,好的机械精度是保证。

29、采用全闭环反馈方式可以消除机械传动带来的误差。 对误差进行分析，是否是反向间隙误差？误差是否是线性的？误差还是非线性的？对于这些误差，考虑补偿方法，通过修改指令位置的方式来调整电机的运动位置。 控制系统具有良好的接地与屏蔽，减少外部引入的干扰。,提供系统的精度,对于反向间隙误差：可以通过控制器的反向间隙补偿来减少。 对于线性误差，比如光栅尺贴与平台水平面有一个固夹角，可以通过乘以一个系数进行补偿。 对于非线性误差，比如丝杠误差，光栅尺平整度误差等，可以用控制器的丝杠补偿表功能来实现。,提供系统的精度,程序开发,程序开发,要让系统按照我们的想法工作，程序开发是必不可少的非常重要的一环。 我们往往

30、要花费相当大的精力在程序开发中。 程序通常包括控制器程序，及上位机程序(GUI)。,程序的运行方式,独立式控制器：控制程序完全放在控制器中，完全脱机(不需要PC机)运行，可通过I/O实现交互。 优点：执行效率最高，可靠性最好。 缺点：可利用的资源有限。,程序的运行方式,程序完全位于PC中。 优点：可以利用大量的PC资源。 缺点：可靠性及执行效率比独立式控制器方式略差。,程序的运行方式,混合式：程序位于控制器及PC中。 优点：结合了上面两种的优点。在实际应用中我们大多使用的方式。 缺点：需要写两部分程序，并需要考虑之间的交互。,程序的运行方式,PC-Based控制器：倍福，贝加莱等公司的控制系统。在标准的Windows系统中嵌入了1个实时的运动控制内核。 可以将