运动控制技术课件

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器执行机构减速机构机械装置传动机构编码器光栅人机界面现场过程信号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

2、械技术，电子技术，通讯技术 等的综合技术。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

3、进电机可做到很小的步距角缺点：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。HALL信号检

4、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运动控制器执行机构减速机构机械装置传动机构编码器光栅人机界面现场过程信号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运动控制器机械装置传动机构执行机构减速机构编码器光栅人机界面现场过程信号直线电机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

5、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，圆光栅转矩反馈位置 指令PG位置反馈速度反馈转矩闭环速度闭环位置闭环+-積分增益位置回路增益+-+-速度回路增益伺服系统(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

6、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

7、，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/CCW3、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

8、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

9、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

10、须接收反馈信号。调试较第1种复杂一些，调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

11、：正电压对应反馈读数增加，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，

12、控制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，驱动器中实现电流环闭环。这种方式效果同

13、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状态(电机电流，温度，相位，状态等)控制器与驱动

14、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

15、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

16、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-MotionACR9000：ACR-ViewPMAC:Pewin32PROACS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-Moti

17、onPro-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

18、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

19、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 100JRK 500X4运动参数的单位我们在程序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

20、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

21、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 750X25 Y15absolute move 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

22、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

23、，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。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。

24、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

25、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。

26、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

27、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

28、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。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

29、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