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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 vPLC vPC+运动控制器 开放式结构 固高 PMAC TRIO v专用控制器 PLC 定义 vPLC 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 v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 vPLC 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。 v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。 v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。 v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 vPLC 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。 v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； v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 vPLC 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）。 v“PC+运动控制器”结构有何优点？ v4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？ vPLC？PCC？PAC? vGT-400-SV四轴伺服运动控制器特点及控制 轴运动控制方式。 v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。 v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。 v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 v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。 v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。 v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 v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。 v（1）选型条件：一般情况下，选择伺服电机需满 足下列情况： v 1.电机最大转速系统所需之最高移动转速。 v 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） v（2）选型计算： v1. 惯量匹配计算（JL/JM） v2. 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 v在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量问题！具体 表现为： v1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； v2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” v1.根据牛顿第二定律：“ v进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J 角加速度 v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。 v v2.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 v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 v 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 v1.稳定性 v2.快速响应性好 v3.控制精度高 运动控制系统任务 v性能要求 选型 v协调各个子系统 完整的系统 v选择最佳工作条件 v选择控制算法 v人机界面 如何构建一个运动控制系统 v总体方案选择 v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 v部件选择 v反馈元件分辨率、安装位置 v电机选择 v步进电机：力矩大小、步距角、驱动器的细 分数 v伺服电机 ：力矩匹配、当量匹配、惯量匹 配、频带宽度匹配 v机械传动减速比 v运动控制器选择：控制轴数、联动轴数 v应用开发环境 如何构建一个运动控制系统 v传感器分辨率 v增量编码器 v 分辨率：4N/(2），N为每转脉冲数 v 绝对编码器或旋转变压器 v 分辨率：2n/(2)，n表示n位二进制数 v 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 v如何选择一个电机？ v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 v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 v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 v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 v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 v(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。 v(2) 电机和传动机构的搭配结构。 v(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