运动控制笔记

1、第三章运动控制中的传感器模拟传感器如测量位置信号的电位计，测量速度信号的测速计数字传感器直接数字式：输出为0或1的二元形式的信号。包括直接编码器，光栅编 码器，感应同步器和CCD准数字式：以频率形式的谐振式传感器，输出信号可为频率脉冲个数，位 相或脉冲宽度。包括机械式的，光学的，以及电学的各种LCR组合的振荡器。光电编码器广泛应用于AC伺服电机的位置和速度检测中，并在运动控制中占有重要位置。按脉冲与对应位置（角度）的关系：增量式和绝对式，以及二者结合的混合式按运动部件的运动方式：直线式和旋转式传感器组成框图：直接编码式传感器结构简单，具有很高的测量精度，分辨率和可靠性。在现代数控技术， 机械设

2、备的位移，机器人运转关节控制，自动检测技术等方面获得广泛应用。编码器是将模拟量转变为数字量的模数转换器。增量式编码器输出与量化后的旋转角成比例的周期信号，然后用计数器对这一周期信号进 行计数，使旋转角数字化。其输出包括A和B两个频道。每一转产生N个脉冲。两频道通 过1/4频道被移动。每一转具有N圈的编码器，经过4倍频后分辨率为4N。最小分辨角 360 /4N分辨率：以编码器轮转动一周所产生的输出信号基本周期数“脉冲/转（PPR）”来表示。在AC伺服电动氧控制系统中，常选用分辨率为2500PPR的编码器。精度：与分辨率完全无关。精度是一种度量在所选定的分辨范围内，确定任一脉冲相对另一 脉冲位置的

3、能力。以角度单位表示。稳定性：影响因素：电子元件的温漂，外界加于编码器的变形力.缺点：数据容易丢失，所有计数都是相对任一指定的基数而言，一旦停电或误操作，把基 数丢失，就难以寻找回来。会发生误差累计现象绝对式编码器以基准位置作为零位置，测量出各位置的绝对值，然后以二进制符号来表示。 绝对式编码器可以在任一位置处给出一个确定的与该位置唯一对应的读数值，无论停电或是 长时间不用，其数值都不会丢失，并且其误差只与码盘的刻制精度有关，误差不会因为多次 计数积累。有多个码道，是一个以2为底数的二进制系统。最低位（外面）的底数为2的0次幂，相邻 的内码道为2的1次幂，依次类推。缺点：1.多为单转式，测量轴

4、角的范围0360，不具有多转检测能力，因而不适应多转 数运动控制中检测绝对位置的要求。2.把位置绝对值信号进行采样处理时，由于延迟时间的 存在，故不适应高速控制的需要。倍频在原理上非常简单。增量编码器A、B两相输出相位差90。利用这一点，在A、B两 相上每检测到一次沿边就计一次数，首先过来的是A上沿，接着是B上沿，A下沿，B下 沿，这样不就在原来的分辨率上x4 了么，那就是四倍频，其它的就很容易理解了。想想， 倍频性能的好坏取决于哪些方面？编码器本身精度的高低？信号占空比？ A、B相位差偏移？增量编码器的分辨率、倍频与细分。前面介绍了，增量编码器码盘是由很多光栅刻线组成的，有两个（或4个，以后

5、讨论4 个光眼的）光眼读取A,B信号的，刻线的密度决定了这个增量型编码器的分辨率，也就是 可以分辨读取的最小变化角度值。代表增量编码器的分辨率的参数是PPR,也就是每转脉冲 数，例如每圈刻线360线,A，B每圈各输出360个脉冲，分辨率参数就是360PPR。那么这 个编码器可分辨的最小角度变化量是多少度呢？就是1度吗？增量编码器的A/B输出的波形一般有两种，一种是有陡直上升沿和陡直下降沿的方波 信号，一种是缓慢上升与下降，波形类似正弦曲线的Sin/Cos曲线波形信号输出，A与B相 差1/4T周期90度相位，如果A是类正弦Sin曲线，那B就是类余弦Cos曲线。对于方波信号，A,B两相相差90度相

6、（1/4T），这样，在0度相位角，90度，180度， 270度相位角，这四个位置有上升沿和下降沿，这样，实际上在1/4T方波周期就可以有角度变 化的判断，这样1/4的T周期就是最小测量步距，通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断， 可以4倍于PPR读取角度的变化,这就是方波的四倍频。这种判断，也可以用逻辑来做，0 代表低，1代表高，A/B两相在一个周期内变化是0 0, 0 1，1 1，1 0。这种判断不仅可以 4倍频，还可以判断旋转方向。那么，方波信号的最小分辨角度=360度/（4xPPR）。前面的问题：一个方波A/B输出360PPR的增量编码器，最小分辨角度=0.25度。严格地讲，方波最高只能

7、做4倍频，虽然有人用时差法可以分的更细，但那基本不是 增量编码器推荐的，更高的分频要用增量脉冲信号是SIN/COS类正余弦的信号来做，后续 电路可通过读取波形相位的变化，用模数转换电路来细分，5倍、10倍、20倍，甚至100 倍以上，分好后再以方波波形输出（PPR）。分频的倍数实际是有限制的，首先，模数转换 有时间响应问题，模数转换的速度与分辨的精确度是一对矛盾，不可能无限细分，分的过细， 响应与精准度就有问题；其次，原编码器的刻线精度，输出的类正余弦信号本身一致性、波 形完美度是有限的，分的过细，只会把原来码盘的误差暴露得更明显，而带来误差。细分做 起来容易，但要做好却很难，其一方面取决于原

8、始码盘的刻线精度与输出波形完美度，另一 方面取决于细分电路的响应速度与分辨精准度。例如，德国海德汉的工业编码器，推荐的最 佳细分是20倍，更高的细分是其推荐的精度更高的角度编码器，但旋转的速度是很低的。我公司提供的IDE弦波细分倍频分割器，可提供5, 10, 20, 25，最高到100倍的正余 弦波细分倍频。一个增量编码器细分后输出A/B/Z方波的，还可以再次4倍频，但是请注意，细分对 于编码器的旋转速度是有要求的，一般都较低。另外，如原始码盘的刻线精度不高、波形不 完美，或细分电路本身的限制，细分也许会波形严重失真，大小步，丢步等，选用及使用时 需注意。前面的问题：一个正余弦A/B输出360

9、PPR的增量编码器，最小分辨角度可能是0.01 度（如果25倍分频，且原始码盘精度有保证）。有些增量编码器，其原始刻线可以是2048线（2的11次方，11位），通过16倍（4位） 细分，得到15位PPR，再次4倍频（2位），得到了 17位（Bit）的分辨率，这就是有些日系编码 器的17位高位数编码器的得来了，它一般就用“位Bit”来表达分辨率了。这种日系的编码 器在较快速度时，内部仍然要用未细分的低位信号来处理输出的，要不然响应就跟不上了， 所以不要被它的“17位”迷惑了。线：编码器光电码盘的一周刻线，增量式码盘刻线可以10线100线、2500线的刻线，只 要你码盘能刻得下，可任意选数；绝对值

10、码盘其码盘刻线因格雷码的编排方式，决定其基本 是2的幂次方线，如256线、1024线、8192线等。但绝对值码盘也有特别的格雷余码输 出的，如360线、720线、3600线等。位：2的n次方，由于绝对值码盘常常是2的幂次方线输出，所以，大部分的绝对值码盘是 以“位”来表达，但也有例外，如360线、720线、3600线的（格雷余码）。增量值编码器也 有用位来表示的，如15位、17位，其是通过内部细分，将计算的线数倍增后，一般大于 10000线了，就用“位”来表达。分辨率：编码器可以分辨的角度，对于一般计算，以360度/刻线数计算，目前大部分就直 接用多少线来表达了。但这样就有一些概念的混淆，如增

11、量值编码器，如用上A/B两相的 四倍频，2500线的，分辨率实际可以是360/10000的，如果内部细分计算的线”可以更多， 达到15位、17位的，所以，常常的增量编码器用“线”来表达的，代表还没有倍频细分，用 “位”来表达的，是已经细分过的了。增量式：码盘内刻线是两道：A/B，乙 通过数线累加（增量）计算旋转角度，有的增加了 UVW，将编码器通过120度的分割，分成三个区来判断位置，称为混合型编码器。有的 通过内部细分电路，提高分辨“线”，并用内部电池记忆及用“位”来表达，常常混称为“绝对值”， 实际应该是“伪绝对”。绝对式：码盘内刻线是n道，以2, 4, 8, 16。编排组合，读数是以“0

12、”“1”编码方式光盘 直接读取，而非累加，故不受停电、干扰影响。分解器：对位置进行感应的电磁装置。分解器是一个产生两信号的旋转变压器:sin（p（t）,cos（p（t）。P（t）为旋转位置。一个自由 运行的振荡器驱动与被磁化的两根感应线圈相耦合的激励线圈。正弦和余弦信号被送入解码 一数字转换器（RDC），以产生电机位置的集成电路中。它能承受工业环境，尤其是在振动和高温环境下比增量编码器要好。分解器的操作如同一个具有1个主线圈和2个次线圈的变换器。主线圈具有正弦信号，作为 响应，两个次线圈产生同频率的信号，其幅值依赖于移动的角位移，通过处理两个输出信号， 对移动的位移进行编码。RDC对分解器的输

13、出进行解码，并将其用10位或16位的二进制数 表示出来。RDC是自调整的闭环PI控制器。其带宽必须高于速度回路的带宽，以防止注入 过大的相位延时，典型的带宽在200HZ到1200HZ之间。如果分辨率是14位/转，就有2的 14次幂的数字量。若其RDC的频率被限制在2MHZ，那么最大速度：v= 2x 106 xx60,/min = 7324r/minmax214误差转子和定子在其和位置的以及在绕线位置产生的不完善，往往导致4 - 20min-1的质量分辨率。电荷耦合图像传感器核心器件是CCD(charge-coupled device),它是一种将光学图像转换成模拟电信号的固体光 电转换器件。这

14、种传感器体积小，质量轻，结构简单，功耗小，成本低CCD工作时，首先对光信号(或电信号)进行电荷取样，并把取样的电荷转移，存储在CCD 相应的势阱中，然后在推进时钟的作用下，使电极下势阱的深度作相应的变化。从而使这些 代表信息的电荷包，定向的转移到CCD的输出端，变成相应的电信号输出。主要性能参数：灵敏度指入射光在像元上产生单位曝光量时，在输出端引起的输出电压的值。设E为光源在像元上产生的辐照度，t为器件受到光照的时间，V为器件输出的电压。则灵敏度七=V/(Et)转移效率指经过一次转移以后，到达下一个势阱中的信息电荷包中的电量q与原信息电荷包中的电量Q2之比。转移效率门=QJQ2。目前，表面沟道

15、式CCD的转移效率一般为0.9999。经过n次转移后的输出电量Qn =n nQ0光谱相应特性指光敏元的输出量(光电压或光电流)与入射光的频率(或波长)间的函数关系。器件的光谱响应范围通常在0.4 1.加m。调制传递函数国际上通常用调制传递函数(MFT)来表示分辨率。所谓分辨率是指图像传感器对景物中 明暗细节的分辨能力。MFT (f)=匕(f)/Mn (f)M (f )和M (f )分别表示空间频率为f时，输入CCD图像传感器的图像调制度和由传 感器输出的图像信号的调制度。不均匀性指均匀光照条件下，其输出端却得到一系列幅值不同的脉冲信号的现象。噪声主要来源于转移噪声，散粒噪声和声噪声。激光式数字

16、传感器（测量精度高，范围大，响应速度快，非接触测量）从调制的角度看，激光传感可以分为下列几种：相位调制式，频率调制式，振幅调制式和 偏振调制式。其中前两种可以直接以脉冲数字方式输出信号并与微机直接接口。激光相位调制式传感器一个激光相位调制式传感器都可以分为两大部分：相位的调制和相位的检测。工作原理：相位4的变化，是由光程的变化所引起的0 = kr）。或者说，几何长度（位移）和介质折射率的变化，其信号调制在相位4上，使相位发生变化。第四章运控中的控制器运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定轨迹目标的装 置，是利用高性能微处理器（如DSP Digital Signal

17、 Processing或大规模可编程器件来实现一 个或多个伺服电机的协调控制。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使 其具有伺服电机控制所需要的各种速度和位置控制功能。运动控制器以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机和执行单元为控 制对象的一种控制装置。可编程逻辑控制器（PLC）采用微机技术制造的通用的自动控制设备，能完成逻辑判断，定时，计数，记忆和算术运算 等功能，既能控制开关量，也能控制模拟量，控制规模从几十个点到上万个点。具有高可靠性，能适应工业现场的高温，冲击，震动等恶劣环境，特别适合于取代复杂的继 电器控制逻辑电路。数字信号处理器DSP是一种高速专用微

18、处理器，内部设置乘法器，可高速执行乘法运算，而且乘法器和运 算逻辑部件ALU并行操作，再加上流水线控制技术，因此做加减乘除等运算的速度极快， 正好适合数字信号处理的要求。DSP系统所选用的算法是各种经过实践检验的通用算法的 组合和改进，专门处理以运算为主，不允许延迟的实时信号；它有特殊的寻址方式，可高效 的进行FFT运算；灵活的I/O接口和片内I/O管理；可灵活使用C语言或汇编编程。GT-400-SV四轴伺服运动控制器基于PC的通用运动控制系统结构，使用“卡式”运动控制器插在计算机的ISA/PCI总线扩 展槽中。提供C语言函数库采用增量式编码器作为输入反馈采用PID滤波器，以及速度和加速度前馈

19、。PID + 膈 + KA控制轴运动控制模式：S-曲线加减速模式：主机设定目标位置，最大速度，最大加速度和加加速度。可以随时修改 目标位置，其他参数在运动过程中不能修改梯形曲线模式：主机需要设定目标位置，最大速度和加速度。可以随时改变速度和位置 速度跟踪模式：主机设定额定加速度和最大速度两个参数，可以随时修改这两个参数第五章运动控制系统设计稳定性，快速响应性和精度三个方面来评价运动控制系统的总体要求运动控制系统部件的选择必须从类别，性能，材料，制造，控制几个角度来考虑。一个合理的运动控制系统需考虑一下几方面的信息：确定方案，根据装置的运动和力学要求进行计算，确定电机的类型及其驱动器，减速器，

20、位置检测装置的类型和规格电机与传动机构的搭配结构选择合适的系列运动控制器，根据伺服电机，编码器类型和数量进行选择电机的负载情况开发应用程序，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。电机执行机构指各种伺服电机，包括直流伺服电机，交流伺服电机和步进电机伺服电机的基本要求：具有宽广而平滑的调速范围较硬的机械特性和良好的调节特性快速响应空载始动电压和转动惯量小步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的一种机电式数模转换器。其转子转角与输入的电脉 冲数成正比，速度与脉冲频率成正比，运动方向由步进电机通电的顺序决定。步进电机的选择主要考虑步距角，静

21、力矩，电流三大要素。控制电机定位控制性能的比较电机（控制方式）优点缺点步进电机（开环控 制）驱动控制电路简单；可靠性高；维 护容易动作慢；振动、噪音大；效率低DC伺服电机驱动控制电路不太复杂；效率高；动作快碳刷需保护步进电机（闭环控 制）驱动控制电路较简单；响应速度快；保养容易效率稍低无刷DC伺服电机（AC伺服电机）响应速度与DC伺服电机一样快;可 靠性高；效率高控制电路复杂，价格较贵电机选择包括两个重要参数：所需的连续力矩和峰值力矩T = （J + J L ）a + TfTp :峰值力矩；J L :负载转动惯量；Jm:电机转动惯量a :所需的加速度；r :摩擦力矩或重力力矩另一种方法是直接计

22、算二和二，把电机耦合成负载和来自功率源的驱动电机。逐渐增大电压，并记录所需的克服摩擦力的电流七。摩擦力矩：Tf = I KK为电机的力矩常数。电机驱动器随动系统的功率放大器，多数选择脉冲宽度调制（PWM）式功率放大器放大器的选择放大器由三个参数表征其特征：电压，连续电流和峰值电流选定放大器的类型后，就必须根据峰值电流和电压的值来确定放大器的尺寸。在加速阶段需 要峰值电压。所产生的力矩：T = （J + J l ）a + 七其响应的电流为：I = T /K = a（J + J ） + T /Kmax p tm L f t峰值电压：V = K W + rl变频器主回路主回路从能量转换方式分为交-直

23、-交和交-交变频。交-交变频器应用于大容量，低调速范围 的场合。但其价格高。从滤波环节分为电压型和电流型变频器。电压型本身不能实现制动， 适用于不可逆系统；电流型易于实现四象限运行，适用于要求正反转，快速制动的场合，但 其价格较高。控制方式U / f恒定，转差频率控制，失量控制U/f恒定控制方式保持电压U和频率f的比值不变，而且对定子电阻引起的压降进行补偿。理论上可以使电机的最大转矩保持不变，但低频时过载能力下降，只适用风机类负载。 矢量控制的变频调速系统具有理想的动，静态特性，适用于高精度的调速系统。控制系统16位单片机或32位DSP容量选择考虑适配电机功率（kW），输出容量（kVA）或额定

24、输出电流（A）运动控制器的选择（轴？坐标轴or机械轴）控制器的任务分为两部分：产生控制命令，并使系统输出信号跟随参考位置机器人和机床应用系统中的控制器分为3大类：运动控制器，能够控制一个或一定数量的轴的速度和位置，或独立承担协调运动。多轴计算机辅助控制可编程控制器（PLC）系统选择：开环闭环伺服电机：有刷无刷位置传感器的放置地点：电机和负载之间的机械耦合不是完美的刚体。一般选择放在电机机械设计：（n是？）位置传感器的选择1000数字/转位置量化值0.36，所需的电机转速12r/min，位置反馈速率为200Hz最优化设计运动控制可分为点到点控制（PTP控制）和连续轨迹控制（CP控制）为了定义最优

25、化设计，首先定义最优化目标。第六章位置伺服系统控制技术首先，位置轮廓必须产生相对于时间的位置命令其次，位置回路必须是闭环的，速度回路也是闭环的，速度/位置回路的输出是一个力矩命 令。系统动态指标：跟随性指标和抗扰性指标速度伺服系统常用阶跃响应来判断驱动系统的响应性能系统剪切频率为G（jo ）的幅值为1时所具有的频率值。表示系统的响应速度，其值 越高，表示系统响应越快。定义中=argG（加），则相角裕度。=180。+中相角裕度对系统的稳定性和阻尼起到关键作用。其为正值时系统稳定，在30 -40范围内， 表示系统具有良好的阻尼响应特性。典型伺服进给系统的传递函数位置调节器与速度调节器：G（s） =

26、 K晶闸管整流装置：G（s） = K e-tss直流电机：G (s)=、(冬 八 切切】t fds(L s + R )(Js + f) + K K TT jT Tf 工r na aa bsT T s + T ( + 1) s + 1L寸为电机电磁时间常数RaT = f/为电机机电时间常数；L寸为电机电磁时间常数Raj R f + K、dk = K为电机放大倍数一 、 K 2机械传动机构：G (s) =Ls 2 + 2 s + 2在工程上，通常把高阶系统近似于一阶或二阶系统第七章单轴运控系统控制技术单轴运控系统的硬件组成包括计算机，数据采集卡，驱动放大电路，直流力矩电机，直 流测速电机和光电编码

27、器。直流力矩电机特点是能经常工作在堵转和低速状态，同轴连接了一个CYD-0.5型直流 测速电机，直流测速电机是系统的第一个传感器元件，其特点是灵敏度高，反应快，线 性度好。系统中采用AL-01-512型光电编码器作为位置检测器件，它是一个9位绝对光 电编码器。输出二进制位置编码范围0 x00000 x01ff，分辨率为360 /512=0.7031 驱动电路主要由PWM功率放大器组成。选择一台具有ISA扩展槽的PC作为单轴运控系统的核心部分。模型辨识直流电机的速度输出模型：理R = : K如果以光电编码器作为输出变量，考U (s) T s +1虑齿轮组的减速比，则位置系统的模型为：0( s)

28、= 1/K K 1 = KU (s) T s J1 ； (T s +1) samm位置系统模型由三部分构成：简化的速度控制模型为一个一阶惯性环节，电机轴到光电编码器的减速比系数K 0和速度到位置的积分模型。通过对实际系统实验数据的分析，得到实验使用的电机系统的正向模型和反向模型是不 同的。因为位置系统模型中有一个积分环节，所以一般先通过辨识速度模型来获得位置控制系统的 模型。对单轴运控系统施加正向阶跃信号，测量系统对阶跃信号的响应速度。 (t) = K (1 - e* (ua + u)，输入不同的勺,t=T时计算得到系统输出值，从阶跃响应曲线上读到达这些阶跃响应值时的时间，取平均值就是系统的机

29、电时间常数Tm单轴运控系统的正反向模型的区别在于等效的摩擦力矩不同，正向的等效摩擦力矩为负值， 反向模型的等效摩擦力矩为正值。机电系统中的摩擦力由静摩擦力，库仑摩擦力，粘性摩擦力组合而成。其中粘性摩擦力和电 机速度成正比，静摩擦力矩存在于系统速度为零时，其幅值总是大于库仑摩擦力矩，库仑摩 擦力矩是一个常值力矩。摩擦力矩模型：Tf = T sgn(o) + (T、-T )e-alsgn(o)有三个参数需要辨识：静摩擦力矩Tf，库仑摩擦力矩T，参数a给电机输入一个变化平缓的三角波力矩信号，随着力矩输入的增大，电机速度从零变化到非 零时的输入力矩值就是静摩擦力矩，随着力矩的减小，电机速度从非零变化到零时的输入力 矩值就是库仑摩擦力矩。