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1、运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社第三章 运动控制基础知识主编：倪志莲 严春平1运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社2主要知识点及学习要求了解运动控制系统的发展过程及组成了解调速及定位系统构成及实现方法掌握定位脉冲输出方式及脉冲当量的概念会进行电子齿轮比计算了解常用运动控制检测元件的工作原理及使用方法第三章 运动控制基础知识运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.1运动控制系统概述3.1.1 运动控制系统的发展运动控制系统是以机械运动的驱动设备-电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变
2、换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动控制系统。这类系统控制电动机的转速、转矩和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。运动控制系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生以及家用电器、消费电子产品中。3运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.1运动控制系统概述3.1.1 运动控制系统的发展1.运动控制系统的发展概况（1）从直流到交流运动控制系统（2）从开环到闭环运动控制系统（3）从模拟到数字运动控制系统（4）从基于PC的运动控制系统到基于网络的运动控制系统4运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业
3、出版社3.1运动控制系统概述3.1.1 运动控制系统的发展1.运动控制系统的发展概况5阶 段分 类主要技术特征早期模拟步进控制器+步进电机+电液脉冲马达20世纪70年代 直流模拟基于微处理器技术的控制器+大惯量直流电机20世纪80年代 交流模拟基于微处理器技术的控制器+模拟式交流伺服系统20世纪90年代 数字化初级数字/模拟/脉冲混合控制，通用计算机控制器+脉冲控制式数字交流伺服系统21世纪至今全数字化基于PC的控制器+网络数字通信+数字伺服系统运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.1运动控制系统概述3.1.1 运动控制系统的发展2.运动控制系统的发展趋势（1
4、）更小体积（2）更少接线（3）更少部件（4）更强控制（5）更易用（6）大数据和云计算6运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.1运动控制系统概述3.1.2运动控制系统的组成运动控制系统通常由电动机、驱动器、控制器、上位机、机械装置、检测装置等部分组成。通过运动控制系统可以实现精确的位置、速度、加速度、力矩的控制。7运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.1运动控制系统概述3.1.3常用的运动控制系统构成8调速系统定位系统直流调速系统交流调速系统步进控制系统伺服控制系统运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出
5、版社按控制器类型分（1）单片机构成的运动控制系统适用于运动控制系统的功能较简单、产品批量较大，且单片机系统开发经验较丰富的用户。（2）PC机+运动控制卡构成的运动控制系统能充分利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹都比较复杂且柔性比较强的机器和设备。（3）PLC构成的运动控制系统主要用于运动过程不是特别复杂、运动轨迹相对固定的设备。（4）专用运动控制系统主要是指专用的数控系统，一般都是针对专用设备，如数控车床、数控铣床等。9运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.2 交直流调速系统将调节电动机转速以适应生产要求的过程称之为调速。3.2.1 直流调速系统10直流
6、他励电动机的转速公式n转速；Ud电枢电压；Id电枢电流；Rd电枢回路电阻；Ke电势常数；磁通量。直流电动机的调速方法有三种：改变电枢电压调压调速。改变电枢回路电阻串电阻调速改变励磁磁通弱磁调速运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.2 交直流调速系统常见的直流调速系统开环调速系统11优点：可实现一定范围的无级调速，结构简单。缺点：不能满足高性能工作机械对性能指标的要求。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.2 交直流调速系统常见的直流调速系统单闭环调速系统12优点：既实现了系统的稳定运行和无静差调速，又限制了起动时的最大电流。缺
7、点：不能满足系统动态性能较高的要求。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.2 交直流调速系统常见的直流调速系统直流脉宽调速系统13优点：直接将恒定的直流电压调制成可改变大小和极性的直流电压，以此作为直流电动机的电枢端电压，实现调速系统的平滑调速。它广泛地应用在中小功率的调速系统中。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.2 交直流调速系统3.2.2 交流调速系统14三相异步电动机的转速特性表达式n为电动机的转速；n1为旋转磁场转速；p为极对数；s为转差率。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社交流调
8、速方法15运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社交流电动机各种调速方式的特点16调速方式 转子串电阻定子调压电磁离合器 液力耦合器 湿式离合器变极串级变频实现方法改变转子回路串入的电阻改变定子输入电压改变离合器励磁电流改变耦合器工作腔充油量改变离合器摩擦片间隙改变定子极对数改变逆变器的逆变角改变定子输入频率和电压调速性质有级无级无级无级无级有级无级无级调速范围 50%-100%80%-100%10%-80%30%-97%20%-100%2、3、4、档50%-100%5%-100%响应能力差快较快差差快快快电网干扰无大无无无无较大有节能效果中中中中中高高高初始投资低
9、较低较高中较低低中高故障处理停机不停机停机停机停机停机停机不停机安装条件易易较易场地场地易易易适用范围绕线式异步电动机绕线式异步电动机笼式异步电动机笼式异步电动机笼式异步电动机，同步电动机笼式异步电动机，同步电动机笼式异步电动机绕线式异步电动机异步电动机同步电动机运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.1 定位控制方式17用限位开关实现的定位控制这种定位方式简单，仅需要限位开关即可，缺点是精度极差，由于断电后自由滑行，停止时间由惯性决定。即使添加制动装置用于提高定位精度，但仍不能满足要求，并且维护也不方便。运动控制技术机械机械机械机械工业
10、出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.1 定位控制方式18变频器双速控制实现定位控制利用变频器的多段速功能在低速时停止，系统惯性大大降低，位置精度也有了很大的提高。变频器减速停止定位精度可达0.5-5mm运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.1 定位控制方式19PLC编码器高速计数实现定位控制编码器将位移信号转换成脉冲信号送入PLC的高速计数口，PLC就可以通过程序实现高、中、低速切换，使用十分方便。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.1 定位控制方式
11、20位置方式定位控制使用步进电动机或伺服电动机代替普通交流电动机，使用步进或伺服驱动器代替变频器，通过PLC向驱动器发出脉冲及方向驱动信号，控制步进或伺服电动机完成定位控制。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.2 PLC定位控制系统的组成21（1）开环控制通过PLC输出位置控制所需要的脉冲信号和方向信号，驱动器就可以带动步进电动机工作了。PLC输出脉冲的数量决定了步进电动机运动的角度，决定了工作台运动的距离。PLC输出脉冲的频率决定了步进电动机的转速，可控制工作台的运动速度。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工
12、业出版社3.3 定位控制简介3.3.2 PLC定位控制系统的组成22（2）半闭环控制当伺服电动机工作时，编码器会产生脉冲，用来反映伺服电动机当前的工作状态。利用编码器的输出信号将其反馈给伺服驱动器，构成闭环，PLC只负责发送高速脉冲给驱动器。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.2 PLC定位控制系统的组成23（3）全闭环控制在半闭环控制的基础上，将工作台实际位移量通过检测装置直接反馈到PLC上，这样就可以进行更精确的控制，避免半闭环控制的缺点。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.
13、3.3 定位控制脉冲输出方式24（1）脉冲+方向控制一路控制信号输出高速脉冲，其频率控制运动的速度，其数量控制运动的位移；另一路信号控制运动的方向。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.3 定位控制脉冲输出方式25（2）正/反向脉冲控制通过两个高速脉冲分别控制正反向运动，两个脉冲频率相同，一个为正向脉冲，一个为反向脉冲。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.3 定位控制脉冲输出方式26（3）双相（A-B）脉冲控制由两组高速脉冲发出时的相位关系决定运动方向的控制。当A相超前B相90
14、相位角时，为正向运动；当B相超前A相90相位角时，为反向运动。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.3 定位控制简介3.3.3 定位控制脉冲输出方式27（4）差分驱动脉冲控制两个信号的振幅相等，相位相反，称为差分信号。当差分信号送到接收端时，接收端通过比较这两个信号的差值来判断是“0”还是“1”。差分信号也有两种输出控制方式：脉冲+方向和正/反向脉冲输出。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.4 脉冲当量与电子齿轮比3.4.1 脉冲当量28脉冲当量定义为控制器输出一个定位脉冲时所产生的位移量。对直线运动来说是指移动的距离，对圆
15、周运动来说是旋转的角度。脉冲当量的单位一般用m/pls或deg/pls表示。【例3-1】如图3-17所示为电动机带动工作台直线运动的定位系统，假设PLC控制器的输出脉冲数为P，丝杠的螺距为D，编码器的分辨率为Pm，试求该系统的脉冲当量。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.4 脉冲当量与电子齿轮比29【例3-1】如图3-17所示为电动机带动工作台直线运动的定位系统，假设PLC控制器的输出脉冲数为P，丝杠的螺距为D，编码器的分辨率为Pm，试求该系统的脉冲当量。设工作台的行程为d，丝杠在输入脉冲数P时转动了NS圈，则d=DNS。而电动机旋转的圈数N就是丝杠转动的圈
16、数NS，结论：脉冲当量与丝杠和螺距和编码器的分辨率有关，编码器分辨率越高，则脉冲当量越小，定位精度越高。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.4 脉冲当量与电子齿轮比30【例3-2】如图3-19所示为电动机带动圆盘运动的定位系统，为求脉冲当量。假设PLC控制器发出P个脉冲，圆盘的转动圈数NS，圆盘转动的角度为X度，则X=360NS。若减速机构减速比为K：1。结论：伺服系统的脉冲当量仅与系统本身的参数（螺距D，减速比K，编码器分辨率Pm）有关，与伺服电动机接收的脉冲数无关。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社3.4 脉冲当量与电子齿轮比3.4.2 电子齿轮比31在伺服系统中，电子齿轮可看作是PLC和电动机之前的一对软齿轮。通常可以在伺服控制器中对电子齿轮比进行设置。CMX为主动轮，CDV为从动轮，假设PLC输出的脉冲数为P，电动机所接收到的脉冲数为P0。运动控制技术机械机械机械机械工业出版社工业出版社工业出版社工业出版社电子齿轮比（1）脉冲当量调节32【例3-3】如图3-21所示，丝杠螺距D=10mm，编码器分辨率Pm=4
