@wuqi0616
2017-02-05T15:48:38.000000Z
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实用运动控制技术
系统稳定性要求：
稳定性就是指系统在给定外界输入或干扰作用下，能在短暂的调节过程后达到新的或者恢复到原有的平衡状态的能力。
快速响应性要求：
快速响应是运动控制动态品质的标志之一，即要求系统跟踪指令信号的响应要快。
控制精度要求：
控制精度是度量系统输出量能否控制在目标值所允许的误差范围内的一个标准。它反映动态过程后期的稳态性能，指的是输出量跟踪输入量的能力。
传统的运动控制体系结构具有的缺点：
1、开放性差。局限于“专用计算机、专用计算机语言、专用微处理器”的封闭式结构。
2、软件独立性差。软件及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植。
3、扩展性差。由于结构的封闭性，难以根据需要对系统硬件进行扩展，如增加传感器控制等功能模块，控制系统软件一般是固化在控制器中的，不开放，用户不能修改。
4、缺少网络功能。
基于PC的开放式运动控制体系结构的特点：
1、开放性。PC机的总线（ISA，PCI总线）是一种开放式的标准结构。
2、可移植性。运动控制软件体系结构采用面向对象的程序设计结构，控制系统软件设计成层次的通用软件程序结构，和特定的硬件结构之间的耦合较弱。
3、可扩展性。开放式运动控制系统建立在PC系统上，在PC系统的总线上可以添加各种功能扩展卡。
4、网络通信能力。建立在PC上的开放式控制器体系结构可以利用PC操作系统的网络通信能力，使得可以远程监控控制系统的运行或者使多个控制子系统联网组成一个分布式的控制系统。
电机是系统组成中一个非常重要的环节，是很关键的组成部件：
1、要获得较高的定位精度，随动系统必须具有良好的低速性能
2、要提高随动系统的快速性，就要求电机具有尽可能大的加速度也就是要求电机转子惯量小，过载转矩大
伺服电机的基本要求：
1、具有宽广而平滑的调速范围
2、具有较硬的机械特性和良好的调节特性
3、具有快速响应特性
4、空载始动电压和转动惯量要小
选择伺服电机和伺服驱动器的具体做法：
Step1：由整机的能力指标和运动状态初步确定伺服电机的功率和力矩，并且负载折算到电机转轴上的转动惯量一般小于电机本身转动惯量的5倍，最好事差不多相等。
Step2：然后根据电机的电流来决定伺服驱动器的容量，其中伺服驱动器所能提供的最大电流要不小于电机的峰值电流，而且调整中切不可使输入电流大于伺服电机的退磁电流。电机和负载的惯量之和要小于伺服驱动器所允许的最大惯量。
转矩常数：单位，它表示单位电流电机产生的转矩量大小。
连续转矩：是指电机以任何速度无过热连续运转所能产生的转矩；
峰值转矩：是指不会引起机械损坏或去磁短时间运行所产生的最大转矩。它是连续转矩的好几倍。并且只要转矩的均方根（RMS）值在连续转矩之内，电机就能产生小于峰值转矩的任意转矩。
1、直流伺服电机的性能：
选取直流伺服电机的依据：
额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、
最大转矩、机电时间常数和电磁时间常数（反映电机的两个过渡过程时间、相比大于3）、转动惯量、最大电流
伺服电机所要求的性能：
1、高速、变速范围广：感应电机为1200~1500r/min，AC伺服为3~3000r/min
2、快速跟踪响应；按照预期的动作响应（15~20ms）
3、高解析度：定位时0.36度
4、小型高转矩：对于感应电机的4~5倍转矩。
2、位置控制与速度控制中电机的选择
控制电机定位控制性能的比较：
| 控制用电机（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、噪声大；效率低 |
| DC伺服电机 | 驱动控制电路不太复杂；效率高；动作快 | 碳刷需要保护 |
| 步进电机（闭环控制） | 驱动控制电路比无刷DC伺服电机简单；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 | 因控制电路复杂，价格稍贵 |
控制电机速度控制的性能比较：
定速控制：磁滞同步电机、磁阻同步电机和无刷DC电机
利用变频器的可变电压可变频率方式（VVVF）运转：3相绕组鼠笼型感应电机、磁滞同步电机
要得到大范围的速度控制和高响应性，应当使用无刷DC伺服电机。
3、交流伺服电机的实用特性：
电机的常用驱动方式：利用齿轮等将电机的转速减速后，驱动所要控制的对象，或者直接驱动电机可以直接驱动。
常用的交流伺服电机的实用特性：
瞬间最大转矩、功率比率、PTP（定位控制方式）、惯量、使用负载惯量、机械时间常数、电时间常数
4、无刷DC伺服电机：
有刷DC伺服电机虽然具有优异的控制特性，但其使用条件苛刻且需要维护碳刷，因此在实际应用中常常不适宜选择有刷DC伺服电机。
无刷DC伺服电机：包括感应电机（IM）、转速由同步频率决定的同步电机（SM）和步进电机。
步进电机在高转速或高负载转矩下可能会失步。
功率电子器件的进步，才使得可变电压可变频率（VVVF）的变频器制造变得简单，使得控制SM、IM达到DC伺服电机一样的效果。
5、步进电机
步进电机是将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的一种机电式数模转换器。
步进电机的选择主要考虑步距角（涉及到相数）、静力矩（考虑摩擦负载和惯性负载）及电流（矩频特性）三大要素。
驱动元件的要求：
1、调速范围宽而有良好的稳定性，尤其是低速时的速度平稳性
2、负载特性硬、即使在低速时，也应有足够的负载能力
3、具有快速响应特性
4、能够频繁启、停及换向
1、随动系统的功率放大器选择：
PWM式功率放大器的特点：
1、功耗低
2、低速运行特性好
3、体积小、维护方便、工作可靠
直流随动系统常采用双极性或单极性的PWM放大器
交流随动系统常采用正弦波PWM放大器
2、变频器的选择：
由于变频器的应用已经相当广泛，而且中、小功率的变频器都有定型产品，无须用户进行主回路参数计算，就可按工艺要求直接选用变频器。
4、步进驱动器
现在生成的步进驱动器，由于采用双极性恒流斩波技术[1]，使同样的电机可以比其他的驱动方式输出更大的速度和功率。
1、伺服电位器：
最常用的是接触式电阻变换器（变阻式位移变换器）：它可在输入位移的作用下，改变接入电路中的固定电阻，亦可改变其电阻值的大小。
优点是：线路简单，惯性小，消耗功率小，所需电源简单，
缺点是：接触不良和寿命短
2、电感及电容测量元件
常用的电感测量元件是差动变压器，常用电容测量元件也采用差动式。
3、光电编码盘
光电编码盘直接将角位移信号转换成数字信号，是一种直接编码装置，可分为绝对式编码盘和增量式（脉动式）编码盘两种，其精度可达到很高。
4、磁编码器
磁编码器的数据处理电路简单，容易实现多相输出。但要获得高分辨率，就要求很高的机械加工精度。
5、光栅位移检测器
常用位置检测元件的误差范围：
| 检测元件 | 误差范围 |
|---|---|
| 电位器 | 几度 |
| 自整角机 | <=1度 |
| 旋转变压器 | 几角分 |
| 圆盘式感应同步器 | 几角秒 |
| 直线式感应同步器 | 几微米 |
| 光电码盘 | 360/N |
机器人和机床应用系统中的控制器：
1、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，除了用在闭环伺服回路中，现代运动控制器还用来提供有限的数据管理设备，输入和输出通道通信，以及由机床或机器人执行的设计函数所需要的安全电路。
2、多轴计算机辅助控制：机床或机器人控制器是为特殊领域而开发的，这样的控制器将某些运动控制器对机床或机器人轴和系统一起产生所需的运动轮廓，以及用户和系统接口。
3、可编程控制器(PLC)：能够控制本地过程的操作，并能够控制与用户、外部输入/输出以及电机-驱动系统之间的接口。
运动控制部件的选择分为两个层次：
1、所决定的部件类型的一般选择
2、选择将集中在能够执行所需任务的部件大小上
1、一般选择：
开环系统采用步进电机和类似的装置
闭环系统采用伺服电机，这类系统需要位置传感器反馈位置信号来闭合位置回路。
当电机和负载之间的机械耦合不是完美的刚体时，位置传感器一般选择放在电机上。
功率放大器的操作选择：
1、速度模式：采用速度传感器（测速计）时使用
2、电流模式：力矩模式，此时施加在放大器上的控制信号通常在-10~+10V之间。
3、电压模式：功率放大器产生一个正比于输入电压的输出电压。虽然这种模式不常用，但尤其当系统需要一个低速响应时，它能加强系统的稳定性。
2、部件大小的选择
电机的选择：
电机的选择包括两个重要的参数：所需要的连续力矩和峰值力矩。
大部分情况下是通过分析和测量。
峰值力矩的公式：
放大器的选择：
线性放大器：效率不高，因此只是在需要低功率的时候使用
脉宽调制型（PWM）放大器：非常有效率，只要功率不超过100W就是最常使用的。