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1、第第4章章 运动控制器运动控制器4.1 两种输出形式的运动控制器两种输出形式的运动控制器4.2 运动控制器的功能运动控制器的功能4.3 运动控制器的结构类型运动控制器的结构类型4.4 运动控制器的技术指标运动控制器的技术指标4.5 基于网络的运动控制技术基于网络的运动控制技术DC,BLDC,PMAM电机伺服系统都需要位置回路实现伺服控制；SteppingMotor需要运动控制器发出脉冲、方向信号；事实上，运动控制器还具有一些其它功能。4.1 两种输出形式的运动控制器两种输出形式的运动控制器 1、电压输出型运动控制器电压输出型运动控制器控制器内具有运动轨迹产生器、控制算法、反馈信号接口，D/A转
2、换器等模块；在运动控制器中实现位置闭环；一般输出10V范围内的直流电压信号，作为驱动器内速度回路或力矩回路的指令信号；适用于DC,BLDC,PMSM等伺服电机系统的控制。多轴联动电压输出型运动控制器多轴联动电压输出型运动控制器一些运动控制器的轨迹产生器具有轮廓轨迹的插补功能，适用于多轴轮廓轨迹联动控制。2脉冲输出型运动控制器脉冲输出型运动控制器控制器内具有运动轨迹产生器、数字变脉冲模块，也有的具有反馈信号接口模块；输出脉冲、方向信号作为电机驱动器的指令信号；输出的脉冲的个数对应电机的希望位置，脉冲的频率对应电机的速度；适用于步进电机或以脉冲链作为输入信号的伺服电机系统的控制。具有位置传感器接口
3、的脉冲输出型运动控制器具有位置传感器接口的脉冲输出型运动控制器位置反馈信号可用于检测电机的实际位置位置反馈信号可用于检测电机的实际位置 多轴联动脉冲输出型运动控制器多轴联动脉冲输出型运动控制器伺服电机系统一般即可由电压输出型也可由脉冲输出型运动控制器控制。当由电压输出型运动控制器控制时，其D/A转换器输出的电压作用于驱动器的速度回路或力矩回路，位置回路在运动控制器中闭合；当由脉冲输出型运动控制器控制时，其脉冲及方向信号作用于驱动器位置回路输入端，位置回路在驱动器中闭合。4.2 运动控制器的功能运动控制器的功能电机位置运动轨迹规划及产生对电机驱动器发出控制指令处理位置传感器输出的位置信息位置回路
4、控制算法寻零机构及机械接口通用I/O接口驱动器接口控制软件1.运动轨迹产生运动轨迹产生对应运动控制的三种类型，有三种形式的运动轨迹：对应运动控制的三种类型，有三种形式的运动轨迹：单轴或多轴点到点单轴或多轴点到点（pointtopoint简称PTP)控制，也称点位控制，电机的运动轨迹一般是梯形或S型的速度曲线。单轴或多轴连续轨迹单轴或多轴连续轨迹（ContinuousPath，简称CP),也称轮廓控制，多轴合成运动形成直线、圆弧或任意形状曲线的运动。同步控制同步控制运动过程中某一个轴的运动跟随另一轴运动或某一个轴运动的位置或速度随外部条件出现而改变。如电子齿轮，电子凸轮等。1)单轴梯型速度曲线、到点运动轨迹产生算法单轴梯型速度曲线点到点运动轨迹产生算法电机首先以加速度A加速到最大速度V，在这个速度下恒速运行一段时间后再以加速度A减速直至达到目标位置；设加速度和减速度相等，所以加速段和减速段电机的位移也是相等的；输入：目标位置P，最大速度V及加速度A；采样时间为T。输出：每个瞬间电机的希望位置p(t)p(nT)；P(t)对应该瞬时速度曲线下的面积；T连续域位置连续域位置 p(t)0tt1t1tt2t2tt3t=t3离散域位置离散域位置p(nT)假定P电机位置单位为转；V电机速度单位为转/秒；A电机加速度单位为转/秒/秒；PN电机位置单位为脉冲数；VN电机速度单位为脉冲数/采样；AN电机
6、加速度单位为脉冲数/采样/采样；N传感器分辨率单位为脉冲数/转；T采样周期单位为秒/采样。因此脉冲数脉冲数脉冲数/转转 秒秒/采样采样 转转/秒秒=脉冲数脉冲数/采样采样脉冲数脉冲数/采样采样/采样采样离散域位置离散域位置 p(nT)t=nT,n=1,2,3,m;假定在0tt1内，共有m1个采样周期则在t1tt2内共有m2个采样周期则在t2tt3内共有m3个采样周期则如果以表示在第n个采样时刻的位置值，则在离散域内：（1）（2）（3）加速段匀速段减速段有些运动控制器具有实时修改速度及加速度的功能。加速度和减速度也可能不同。2)S型速度曲线点到点运动型速度曲线点到点运动梯形速度曲线、，对机构冲击力较大。S形速度曲线加速度是渐变的，对机构冲击力较小。电机在曲线两区以最大加速度做恒加速和恒减速运动；在4区做恒速运动。输入：目标位置P、最大速度V、最大加速度A及加速度导数J输出：为每个瞬间电机的希望位置p(t)。3)多轴多轴PTP运动运动各轴独立运动，不能保证合成轨迹，不能保证同时到达。这实际上是两轴各自做点位运动。4）多轴）多轴CP运动运动每个采样周期通过轨迹规划和插补算法计算出轨迹上的一个点。各轴协调运动，保证合成轨迹，保证同时到达。5）电子齿轮）电子齿轮电子齿轮是使几个从轴跟随某一主轴同步电子齿轮是使几个从轴跟随某一主轴同步运动的一
8、种运动模式。运动的一种运动模式。从轴的运动轨迹由主轴运动轨迹及预先设定的齿轮比决定，从轴不做轨迹计算。电子齿轮的两种方式电子齿轮的两种方式l主轴是有驱动的轴l主轴是无驱动的轴主轴是无驱动的轴主轴是无驱动的轴运动控制器从编码器电机驱动器主编码器齿轮比运动控制器（齿轮比）从编码器电机驱动器驱动器主编码器电机主轴是有驱动的轴主轴是有驱动的轴6）电子凸轮）电子凸轮电子凸轮是使几个运动轴按某一预先设定的轨迹同步运行的一种运动控制模式。设定的轨迹基于表格形式。下图确定了一种电子凸轮关系，其中：X轴为主轴，Y为从轴。根据图示关系可制成凸轮表。从轴的速度由主轴及凸轮表决定步号X轴Y轴03
9、00主从轴之间的关系可以是某种函数关系，如：Y=0.5*X+100 sin(0.18*X)可离线编程计算出数字关系，并制成凸轮表。上：从轴1；中：从轴2；下：主轴。从轴可以是多个，不同的运动控制器有不同从轴数目。步号主轴从轴1从轴6004020应用举例：椭圆形工件外轮廓涂胶应用举例：椭圆形工件外轮廓涂胶XOY平面内一工件绕Z轴旋转，胶体从注胶头匀速挤出，使胶体涂满工件外廓。工件外廓为椭圆
10、，因此需不断调节注胶头在X轴上的位置为了保证胶体在工件外廓上均匀分布，要求工件外廓上各点转过点A时的线速度V保持恒定。Z注胶头工件AX为建立X轴和Z轴间凸轮关系，设线速度设为V，则在各个相等的时间片段ti内，工件轮廓移过的弧长L应该相等。L=Vti设在ti内，工件转过的角度为i，则有：L=iri ri为各相等时间片段所对应的转动半径，半径不同，则转角不同。注胶头工件AXZ将工件轮廓总长作200等分，即：L=L/200L=L/200根据外轮廓曲线个相等的弧长L各自所对应的转角i与半径ri；将这200个i与ri数据制成凸轮表;执行凸轮控制指令，便可控制Z轴电机用200个相等的时间
11、转过不同的角度i，并保持V恒定；X轴电机和Z轴电机按凸轮表同步运动，从而使注胶头随工件半径不同调整在X轴的位置。2.位置回路及其控制算法位置回路及其控制算法位置回路的功能：使伺服电机实际位置能够跟随轨迹发生器发出的希望位置，并在保证稳定的前提下以要求的精度及响应速度运动。为达到系统性能要求，回路中应有控制策略。大部分运动控制器具有PID控制策略，一些有速度前馈、加速度前馈策略。PID控制策略作用于反馈回路产生的误差信号，它们的输出经D/A转换后作为速度回路或力矩回路的指令信号。控制参数Kp,Ki,Kd由使用者根据性能指标要求在设计或调试过程中确定。典型的PID控制规律的传递函数为误差信号e(t
12、)经PID运算后输出为为便于在计算机中实现，微分方程式应变换为的差分方程式。u(n)位置控制器在采样时刻nT时的输出信号；e(n)在采样时刻nT时的位置误差信号；3.寻零操作寻零操作对采用增量编码器的系统，上电时需进行寻零操作。可在机械轴上设置零位开关，当运动控制器接收到零位信号时，将位置计数器清零。由于零位开关的动作时间限制，这种寻零操作不是很精确。可利用编码器索引信号（Z相信号）完成精确的寻零操作。电机先高速运行，碰到零位开关后减速，然后等待索引信号，索引信号到达后，将位置计数器清零。由于A,B,Z三个信号同步性，这种寻零方式能使系统零位精确到编码器一个分辨率。这需要运动控制器有高速位置捕
13、捉寄存器，记住Z相信号到达时电机的位置。4.机械接口机械接口机械接口是运动控制器对限位开关信号的接口。当机构运动超出机构运动范围时，限位开关动作。运动控制器在接收到这个信号后立即使电机停止运动。电机可反向运动退出限位状态5.驱动器过程控制接口信号驱动器过程控制接口信号用于驱动器与控制器之间的信号联络及时序控制，一般以高低电平的信号形式出现。下面列出的仅是主要的几个：伺服准备好信号伺服准备好信号：驱动器输出信号。驱动器上电后，首先启动自检程序，当确认内部各部分电路及编码器、伺服电机的接线均处于正常状态时，输出此信号到运动控制器。使能信号：使能信号：驱动器输入信号。当运动控制器接收到驱动器发出的“
14、伺服准备好”信号后，即发使能信号到驱动器，使其投入工作。这时只要给驱动器各回路输入指令信号，电机即可运转。报警信号报警信号：驱动器输出信号。当驱动器检测到其内部或外部的故障时发出报警信号到运动控制器，使其停止发出指令信号。运动控制器应有相应的接口电路在电机运行过程中实时检测这个信号的变化。尤其是机器人一类多轴联动系统，当某一轴发生报警时，如不采取措施使整个系统停止运行。则会使其偏离要求的运动轴迹，导致碰撞的危险。6.通用通用I/O接口接口除专用接口外，运动控制器一般都具有一些通用通用开关量或模拟量的输入、输出接口。这些接口用于系统中伺服电机之外其它部件的控制。如电磁阀、继电器、指示灯、生产线、的一些连锁到位信号，机器人手爪的开合，焊接设备的起弧、熄弧、或温度、压力、流量的控制等。4.3 运动控制器的结构类型运动控制器的结构类型大致有如下大致有如下3种种基于计算机总线的运动控制器基于PLC的运动控制器独立结构的运动控制器这些类型的运动控制器都已商品化了解各种类型的特点，可作为设计时的选择依据。1.基于计算机总线的运动控制器基于计算机总线的运动控制器一般是一块插在计算机箱内的板卡可以是基于ISA,PCI,STD,VME等总线。由实现运动控制功能的核心芯片加上外围电路构成。MC1401芯片组：DSP+FPGAMC1401芯片组内部框图MC1401芯片组功能32位位置、速度、加速度和加速度
16、导数寄存器；S形、梯形曲线位置控制或梯形曲线速度控制；电子齿轮功能（两对，齿轮比为1-32768可调）；PID速度前馈控制算法；16位DAC或10位PWM输出接口；每轴两个限位开关输入、一个零位开关输入；编码器输入接口，1M脉冲数/秒捕捉能力。由MC1401芯片组构成的ISA总线电压输出型运动控制器软软 件件基于总线的运动控制器一般都配置有调试界面软件用户指令编程语言有些运动控制器甚至配备频率特性分析程序，可在屏幕上直接将分析结果以Bode图的形式显示出来。调试界面软件调试界面软件直接用来调试系统参数、测试系统性能而不必编写任何程序。只要输入运动参数如P、V、A，控制参数如Kp、Ki、Kd然后
17、点击屏幕上的“启动”按钮就会看到电机在这组参数下的运动。用户指令集及编程语言用户指令集及编程语言用于使用者编写自己的运动控制程序并将该程序与系统中其它应用软件集成在一起。各制造商生产的运动控制器其用户指令集及编程语言一般都是专有的，不通用的。也有一些专用于某些应用的运动控制器使用一些大家都熟悉的语言，如用G代码编程就适用于在数控机床中的应用。例例：要求电机运行在梯形速度梯形速度模式下，正向位移40000个脉冲。set_kp(8);/设定KP为8set_ki(0);/设定KI为0set_kd(0);/设定KD为0set_prfl_trap;/建立运动轨迹为梯形曲线、置速度set_acc(838);/设置加速度set_pos(40000);/设置位置为40000个脉冲start;/启动运行基于计算机总线的运动控制器特点基于计算机总线的运动控制器特点可以利用计算机系统原有的软、硬件资源，如Windows操作系统，VC及VB等编程语言，网络通讯接口，大容量的数据及程序存储功能力，图形显示接口等。可借助计算机强大的计算功能完成一些复杂控制算法的实时计算。适于机器人、数控机床等多轴轨迹跟踪系统。系统易于扩充、开放性较强。能提供最直接的与企业管理和数据库应用的整合。要求使用人员必须有较强的软件编程能力安装接线.基于基于PLC的运动控制器的运动控制器nPLC
19、实质上是一种适宜工业环境的计算机系统。n模块化结构形式：CPU，开关量I/O控制、A/D和D/A转换器、运动控制器及电源等都做成不同的模块通过机架及通讯接口连接在一起。例：欧姆龙例：欧姆龙MC221运动控制模块运动控制模块G代码编程梯形图编程特点PLC的运算速度比PC慢，较适用于不需要太复杂运算的控制系统。一般采用称作“梯形图”或G代码的编程语言编写控制程序。适于现场技术人员使用，对计算机编程能力要求不高。安装及接线都比计算机要容易，外观看起来比较坚固，多数人认为它的可靠性比计算机要高。专用硬件和软件结构，兼容性和可扩充性较差。3.独立式的运动控制器特点这是一种即不依赖于计算机也不依赖于PLC
20、，能完全独立工作的运动控制器。使用自己的专有语言，用专有的键盘及显示器件编程。有时为了降低成本甚至不装有键盘或显示器，而是在其它的计算机上编好作业程序后通过通讯接口写入到它内部的存储器上。专有软件及硬件平台结构，不能扩充。开发和使用比较容易、体积比较小，便于安装和调试等优点。4.4运动控制器的主要指标可控轴数轨迹发生器能产生多少种运动轨迹？电子齿轮及电子凸轮功能有多少种控制算法？是否可自编写新算法？采样周期的数值电压输出型运动控制器D/A输出的分辨率（位数）脉冲输出型运动控制器最高脉冲输出频率位置传感器接口种类及指标，如能处理的最高脉冲输入频率是多少归零机构及机械接口的功能通用I/O接口的种类
21、及数量调试界面程序含有哪些功能？使用是否方便？用户指令集及编程语言的情况系统分析软件4.5基于网络的运动控制器基于运动控制器的控制架构会遇到下列瓶颈：配线根时序控制信号，至少需要4根信号线。这对系统可靠性、安装、维护不利。分辨率的限制分辨率的限制在电压输出型运动控制器架构里，由AD/DA转换器来传送指令，以一个12bit分辨率的/为例。对应最大正负转速如：3000rpm，则每一位所代表的分辨率为6000rpm/2120.7324rpm。在许多的高精度加工场合是不足的。而在脉冲输出型运动控制器架构里，分辨率被脉冲的最大传输速度限制。如编码器分
22、辨率在17位131,072pps，在3000rpm时控制器就必须送出约6.5MHz的脉冲。这样高频率的模拟信号传输是很困难的。干扰及噪声模拟信号传输不能避免。驱动器状态信息不能完全读回。伺服驱动器内的参数及状态信息多达百种,没有办法藉由传统配线方式完全读取这些信息，因此不能在控制器上充分了解运行状态。如果用网络接口传递控制指令，电机及驱动器运行信息，则可以克服这些瓶颈。数据串行传输要解决的主要问题传输速度传输速度低相当于存在时间滞后，造成系统稳定性下降。各轴之间的数据同步指令数据是串行传送的，各轴之间由于指令传送的时间误差造成各轴真正执行位置命令的时间不同，在多轴插补时会造成轨迹误差。信息传输
23、必须满足实时性、快速性的要求伺服系统具有信息量不大，信息传输的任务相对简单，但对实时性、快速性的要求较高的特点。要形成国际标准多种网络接口技术基于网络的运动控制器需要在控制端和驱动端设置网络接口，并依据接口协议双向传递数据。现有的网络接口技术有多种；Sercos(SerialRealTimeComunicatiomSystem)ProfibusDevicenetCANopenLightbusEthernet除Sercos外都没有形成国际标准；Sercos是专门用于控制器与数字伺服驱动器之间实现串行实时通讯的网络接口。Sercos现已在多轴联动数控机床及多自由度机器人控制系统中得到广泛应用。Se
24、rcos接口的原理sercos接口最常用的结构是环形拓扑结构。对整个通讯起到指挥和控制作用的单元称为主站。而与伺服驱动器集成一体，对主站的控制起到应答作用的单元称为从站。主站SercosSercos接口卡接口卡接口卡接口卡从站SercosSercos接口卡接口卡接口卡接口卡系统由一个主站和若干个从站组成。每一个环最多可连接40个从站，最多可连接254个伺服驱动器。各站之间采用光纤联接，构成环形网。信息的直接交换仅仅发生在控制器和驱动器之间，而不是在驱动器之间。SercosSercos接口协议接口协议定义了三种报文类型：主站同步报文MST、主控数据报文MDT和伺服数据报文AT。主站同步报文MST
25、（master-synctelegram）由主站以固定周期发向所有从站，表示一次通讯周期开始，所有从站都将同时接收到该电报，主站通过它来控制各个从站的同步运行。伺服数据报文AT 由各个伺服从站发往主站，可将多种伺服信息实时反馈给主站，如伺服轴实际位置、转速、扭矩、报警信号、诊断信号、状态应答信号、伺服参数和电机参数等；控制指令数据报文MDT（masterdatatelegram）由主站发给从站，向从站发出控制指令，如：伺服轴位置指令、转速指令、扭矩指令、工作方式选择、伺服参数和电机参数等。各轴在同一周期里接收和发送数据，保证了同步性。主站在一个预设的固定的时间周期内要向环内的所有从站发送控制指
26、令或数据，而在同一个周期内所有从站也必须在指定的时段内将设备状态或执行情况反馈给主站。这种通讯方式使信息的同步传输和双向流通得以保证。一个sercos通信周期是由主站首先发出同步数据MST后开始，之后各个从站在自己的时间片内，分别向主站发送伺服数据AT，当主站接收到所有从站发来的AT后，向所有从站广播主控数据MDT，各个从站则在定义好的时段内从MDT中读取自己所需要的报文。结束一个周期的通信随后主站发送下一周期的同步数据MST。周期时间可选择62.5s，125s，500s，1ms的整数倍。SERCOS标准的底层通讯协议物理层和数据链路层的实现是由SERCOS接口控制芯片来完成的。Sercos接
27、口的技术特点采用光纤作为通信介质采用光纤作为通信介质。固有的噪声免疫能力，对大电流驱动系统尤为重要。通讯能力通讯能力采用环行拓扑结构，每一个环最多可连接40个从站设备，最多可连接254个伺服驱动器。控制器与驱动器间通过每一运动周期发送一串双向通讯电文来进行彼此间同步通讯，电文长度可大于80字节。开放性开放性sercos接口定义了400多个参数，并为厂商提供了自定义参数的机制。系统中省去了运动控制器，但增加了sercos接口。分辨率分辨率可以采用32位的数据值，具有很高的分辨率。传输速度传输速度支持每秒2MB，4MB，8MB，16MB的数据通信速率。接口周期时间接口周期时间周期时间可选择;62.
28、5s，125s，500s，1ms的整数倍。能够通过改变周期时间、数据内容和驱动器数量来满足特定的应用需要。机器人研究所研制的智能机器人灵巧手系统全局手控制器和本地手指驱动器之间通过光纤进行连接并以sercos的方式进行通讯，在1ms内就可以实现4个手指所有的传感器信号和控制信号的数据交换。KUKA机器人KR100PFUNUC机器人思考题1.运动控制器的主要功能是什么？。2.梯型和S型速度曲线点到点位置运动各有什么特点？3.按输出信号的形式分，运动控制器有哪两种基本的类型？说明其特点及适用场合。4.按结构形式分运动控制器有哪些基本的类型？说明每种结构形式特点。5.什么是电子齿轮？什么是电子凸轮？6.什么是寻零操作？说明运动控制器寻零操作的过程？7.基于运动控制器的控制架构遇到了什么瓶颈？8.在基于网络的伺服系统中，信息传输要解决哪两个主要问题？
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