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运动控制技术基础 运动控制系统概述 什么是运动控制？ 简单地讲，运动控制就是通过机械传动装置对运动部件的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数（如速度、加速度参数等）完成相应的动作。 运动控制系统的典型构成 开环控制系统（Open Loop 电机：步进电机 驱动器：脉冲分配，电流放大 运动控制器：运动规划，位置脉冲指令 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 运动控制系统的典型构成（续1） 开环控制系统（Open Loop） 电机：（直流伺服电机）、交流伺服电机 驱动器：电流放大，位置反馈控制 运动控制器：运动规划，位置脉冲指令 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 运动控制系统的典型构成（续2） 闭环控制系统（Close Loop） 电机：直流伺服电机、交流伺服电机 驱动器：速度反馈控制，电流放大 运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自电机轴 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 运动控制系统的典型构成（续3） 闭环控制系统（Close Loop） 电机：直流伺服电机、交流伺服电机 驱动器：速度反馈控制，电流放大 运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 运动控制系统的典型构成（续4） 闭环控制系统（Close Loop） 电机：直线电机 驱动器：速度反馈控制，电流放大 运动控制器：运动规划，速度指令，位置反馈取自负载 上位计算机：运动代码生成，应用程序，人机界面 闭环控制的几种形式 运动控制系统的构成部件 上位计算机：PC机 运动控制器 专用运动控制器 开放式结构运动控制器 驱动器：全数字式驱动器 电机 步进电机 伺服电机：直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机 反馈元件 位置反馈元件：角度、位移 速度反馈元件 传动机构：齿型带；减速器；齿轮齿条；滚珠丝杠。 电机控制基本知识 常见的控制电机 步进电机 永磁式：两相（7.5度） 反应式：三相（1.5度） 混合式：两相（1.8度）或五相（0.72度） 伺服电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机 步进电机的工作原理 步进电机是一种将数字式电脉冲信号转换为角位移的机电执行元件。 步进电机的工作原理(续1） 当步进电机的一相绕组（A相）通电时，产生力矩使电机转动至位置P（通常叫一个步距角），当另一相（B相）绕组通电时，电机转动至Q点 步进电机的工作原理(续2） 当A相绕组反相通电时，电机转到R点，当B相绕组反相通电时，电机转动至S点 步进电机的工作原理(续3） 单极整步运行图 双极整步运行图 步进电机的工作原理(续4） 半步运行模式: 步进电机的工作原理(续5） 单极半步运行 步进电机的工作原理(续6） 微步运行模式—细分运行模式 电机旋转的位置随A相和B相绕组中的电流的比例而变化 步进电机的控制 步进电机的优点 低成本 控制简单，能直接实现数字控制 开环控制，位移与脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比 结构简单，无换向器和电刷，坚固耐用 抗干扰能力强 无累积定位误差（一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积 ） 步进电机的缺点 单步响应中有较大的超调量和振荡 承受惯性负载能力差，仅适用于负载惯量与电机转子惯量比低的运行情况 （惯量比小于3） 转速不够平稳，粗糙的低速特性 不适合于高速运行 自振效应 高速时损耗较大 低效率，电机过热（机壳可达90℃） 噪音大，特别在高速运行时 当出现滞后或超前振荡时，几乎无法消除 可选择的电机尺寸有限 ，输出功率较小 位置精度较低 直流伺服电机工作原理 通电线圈与磁场的相互作用产生了伺服电机的转矩 直流伺服电机工作原理（续1） 直流伺服电机工作原理（续2） 转矩方向与电流方向的关系 直流电动机的换向 电流的换向是由电刷和换向器共同完成的。 直流电机驱动 驱动器 电源放大器 通常接受±１０Ｖ的模拟电压信号 可工作在速度模式或电流模式 线性放大器，开关型放大器（ＰＷＭ方式） 直流伺服电机的控制 直流伺服电机的优缺点 优点: 精确的速度控制 转矩速度特性很硬 原理简单、使用方便 价格优势 缺点: 电刷换向 速度限制 附加阻力 产生磨损微粒(对于无尘室) 解决方案：无刷电子换向电机 交流伺服电机－－无刷电机 改变电机的结构 –—磁极作转子，线圈作定子 线圈中的电流方向可以使用电子方式换向 在换向过程中，需要测量磁场磁力线与线圈的夹角 霍尔传感器可以测量转子的磁场 通常的结构： 三相电机 三个霍尔传感器 交流伺服电机结构示意图 交流伺服电机工作原理（续） 电子换相（VS电刷换向） 磁极位置检测 霍尔传感器 将3个霍尔传感器装再定子上，各相差120度（不是空间角度）均布在电机一端