運動控制系統(tǒng)設計

1、.運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) .運動控制系統(tǒng)中的控制器.分類vPLCvPC+運動控制器 開放式結構固高 PMAC TRIOv專用控制器.PLC 定義vPLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。.PLC 定義v國際電工委員會（國際電工委員會（IEC）頒布了對）頒布了對PLC 的規(guī)定：的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算邏輯運

2、算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備都應按易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。.PLC 結構vPLC 分為一體式和模塊式兩種結構。但它們的組成是相同的，都有CPU、I/O、內(nèi)存、電源等。v無論哪種結構類型的PLC，都屬于總線式開放型結構，其I/O 能力可按用戶需要進行擴展與組合。v一般一體式一體式在微小型PLC 中采用，其CPU 板、I/O 板、電源板等集成在一個模塊中，目的是降低成本，滿足用戶

3、經(jīng)濟實用的要求，它通過擴展電纜連接擴展模塊。v中大型中大型PLC 對性能、容量、網(wǎng)絡、I/O 能力、可靠性等要求很高，一般采用模塊式，電源、CPU、I/O 都單獨成模塊，插在底板或機架上，構成一個整體系統(tǒng)。.PLC 結構.PLC應用vPLC 國內(nèi)市場目前主要有三大流派，占中國市場份額90以上： 美國：美國：ROCKWELL、GE；歐洲：歐洲：西門子、施耐德；日本：日本：三菱、OMRON。v在大中型在大中型PLC 市場，市場，西門子占據(jù)優(yōu)勢，其次是施耐德、ROCKWELL、GE，日系品牌競爭力較弱；v在微小型在微小型PLC 市場，市場，三菱、OMRON、西門子占據(jù)了絕大多數(shù)份額，其品牌份額較少。

4、.工作原理vPLC 是按循環(huán)掃描循環(huán)掃描方式運行的。在PLC 出廠時，只有系統(tǒng)軟件，用戶必須根據(jù)工藝要求編寫自己的用戶程序，才能實現(xiàn)控制。當PLC 處于運行狀態(tài)時，系統(tǒng)順序、循環(huán)地執(zhí)行。.PLC四種任務執(zhí)行用戶程序：系統(tǒng)順序執(zhí)行用戶程序的指令序列，從第一條主程序指令開始，逐一執(zhí)行用戶程序的指令序列，直到執(zhí)行完主程序結束指令為止。通訊任務：與編程軟件、上位組態(tài)軟件、觸摸屏等通訊時，響應下達的通訊命令。內(nèi)務處理：處理各種系統(tǒng)內(nèi)務，如刷新面板指示燈，更新軟件計時器和計數(shù)器值、刷新特殊中間繼電器和特殊數(shù)據(jù)寄存器。I/O 刷新：包括輸出刷新階段和輸入刷新階段。輸出刷新階段是根據(jù)Y 元件的值（ON/OFF

5、），接通或斷開對應的硬件輸出端口。輸入刷新階段是將硬件輸入端口的接通或斷開狀態(tài)，轉換為對應的X 元件值（ON/OFF）。.v“PC+運動控制器”結構有何優(yōu)點？v4倍頻輸入增量式編碼器信號，其中編碼器3000線，轉速3000r/min，那么控制器編碼器信號接口輸入信號頻率至少為多少？vPLC？PCC？PAC?vGT-400-SV四軸伺服運動控制器特點及控制軸運動控制方式。.v轉矩控制：轉矩控制：轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小。v位置控制：位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，

6、也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。 .v速度模式：速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統(tǒng)的定位精度。 .伺服電機的三環(huán)控制 v伺服電機一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個閉環(huán)負反饋PI

7、D調節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的最內(nèi)的PID環(huán)環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅動器內(nèi)部進就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅動器內(nèi)部進行，通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相行，通過霍爾裝置檢測驅動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進行的輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設定調節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，電流環(huán)就是控制電機轉矩的，所以在電流，電流環(huán)就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動器的運算最小，動態(tài)響應最轉矩模式下驅動器的運算最小，動態(tài)響應最快?？?。 .v第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機編碼器的信通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋號來進行負反饋PID

8、調節(jié)，它的環(huán)內(nèi)調節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PID輸出輸出直接就是電流環(huán)的設定，所以速度環(huán)控制時直接就是電流環(huán)的設定，所以速度環(huán)控制時就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統(tǒng)實際也在進行在速度和位置控制的同時系統(tǒng)實際也在進行電流（轉矩）的控制以達到對速度和位置的電流（轉矩）的控制以達到對速度和位置的相應控制。相應控制。 .v第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅動器可以在驅動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載

9、間構建，要根據(jù)實際電機編碼器或最終負載間構建，要根據(jù)實際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設定，位置控制模式下系統(tǒng)進行了所度環(huán)的設定，位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有有3個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng)運算量最大，動個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng)運算量最大，動態(tài)響應速度也最慢。態(tài)響應速度也最慢。 .伺服電機選型問題 v在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。v（1）選型條件：）選型條件：一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況： v 1.電機最大轉速系統(tǒng)所需之最高移動轉速。 v 2.電機的轉子慣量與負載慣量相匹配。 3.連續(xù)負載工作扭矩電機

10、額定扭矩 4.馬達最大輸出扭矩系統(tǒng)所需最大扭矩（加速時扭力）v（2）選型計算：）選型計算：v1. 慣量匹配計算（JL/JM）v2. 回轉速度計算（負載端轉速，馬達端轉速）負載扭矩計算（連續(xù)負載工作扭矩，加速時扭矩） .伺服電機的慣性匹配問題 v在伺服系統(tǒng)選型及調試中，常會碰到慣量問題！具體表現(xiàn)為：v1在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；v2在調試時（手動模式下），正確設定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由

11、為突出 .什么是“慣量匹配” v1.根據(jù)牛頓第二定律：“v進給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動慣量J 角加速度v角加速度影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應越慢。如果變化，則系統(tǒng)反應將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望的變化小，則J應該盡量小。 .v v2.進給軸的總慣量“J伺服電機的旋轉慣性動量JM 電機軸換算的負載慣性動量JLv負載慣量JL由（以工具機為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變

12、而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。 .步進電機和交流伺服電機的性能差別 v 雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。如：1、制造精度不同；2、低頻特性不同 3、矩頻特性不同 4、過載能力不同 5、運行性能不同 6、速度響應性能不同。 交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當?shù)目刂齐姍C。 .運動控制系統(tǒng)性能要求v1.穩(wěn)定性v2.快速響應性好v3.控制精度高.運動控制

13、系統(tǒng)任務v性能要求 選型v協(xié)調各個子系統(tǒng) 完整的系統(tǒng)v選擇最佳工作條件v選擇控制算法v人機界面.如何構建一個運動控制系統(tǒng)v總體方案選擇總體方案選擇v根據(jù)系統(tǒng)的技術指標要求和工藝要求，確定 運動控制系統(tǒng)的結構：開環(huán)vs閉環(huán) 步進電機vs伺服電機 機械傳動結構 直接剛性連軸器連接 減速機 同步齒型帶 運動控制器：運動方式 反饋元件.如何構建一個運動控制系統(tǒng)v部件選擇部件選擇v反饋元件分辨率、安裝位置v電機選擇v步進電機：力矩大小、步距角、驅動器的細分數(shù)v伺服電機 ：力矩匹配、當量匹配、慣量匹配、頻帶寬度匹配v機械傳動減速比v運動控制器選擇：控制軸數(shù)、聯(lián)動軸數(shù)v應用開發(fā)環(huán)境.如何構建一個運動控制系統(tǒng)

14、v傳感器分辨率傳感器分辨率v增量編碼器v 分辨率：4N/(2），N為每轉脈沖數(shù)v 絕對編碼器或旋轉變壓器v 分辨率：2n/(2)，n表示n位二進制數(shù)v 傳感器安裝位置?電極軸端?負載.如何構建一個運動控制系統(tǒng)v如何選擇一個電機？如何選擇一個電機？v選擇電機主要從下幾方面考慮： 系統(tǒng)的精度要求 連續(xù)運轉速度和最高速度、最高加速度要求 負載情況 慣量情況 機械傳動結構 初步選定電機 計算所選電機的峰值力矩和額定力矩是否滿足要求.如何構建一個運動控制系統(tǒng)v交流伺服系統(tǒng)的選型依據(jù)當量匹配慣量匹配力矩匹配.如何構建一個運動控制系統(tǒng)v伺服系統(tǒng)選型之當量匹配每個脈沖對應的機械進給量，這里的脈沖是指實際的反饋脈沖機械傳動方式與減速比位置分辨率vs機械進給速度電子齒輪比.v交流伺服系統(tǒng)的應用分析幾個概念定位方式系統(tǒng)精度頻帶寬度v交流伺服系統(tǒng)的整定機械系統(tǒng)的完備性由內(nèi)至外的整定方式頻帶寬度與響應時間機械共振與定位時間.系統(tǒng)部件的選擇.運動控制系統(tǒng)設計v(1)需要確定方案，需要確定方案，根據(jù)裝置的運動和力學要求進行計算，確定電機類型及驅動器、減速器、位置檢測裝置的類型和規(guī)格。v(2) 電機和傳動機構電機和傳動機構的搭配結構。v(3) 選擇合適的系列運動控制器運動控制器，通常根據(jù)伺服電機、編碼器類型和數(shù)量進行選擇。.運動控制系統(tǒng)設計v(4)電機的負載情況