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1、本课程的任务：本课程的任务：了了解解交交流流伺伺服服运运动动控控制制系系统统的的检检测测技技术术及选型及选型掌掌握握永永磁磁同同步步电电动动机机交交流流伺伺服服运运动动控控制制系统的建模、控制系统设计及仿真方法系统的建模、控制系统设计及仿真方法了解多种现代交流伺服运动控制技术了解多种现代交流伺服运动控制技术了解交流伺服运动控制系统的实际应用了解交流伺服运动控制系统的实际应用1.11.1 什么是什么是“交流伺服运动控制交流伺服运动控制”1.2 1.2 交流伺服运动控制系统的发展交流伺服运动控制系统的发展1.3 1.3 交流伺服运动控制系统的组成及特点交流伺服运动控制系统的组成及特点1.4 1.4
2、 现代交流伺服运动控制技术现代交流伺服运动控制技术1.5 1.5 课程特点、内容安排及学习方法课程特点、内容安排及学习方法(1) (1) 电机：机电能量变换的主要装置电机：机电能量变换的主要装置 1 1、 电机及运动控制系统电机及运动控制系统1.11.1 什么是什么是“交流伺服运动控制交流伺服运动控制” 直流、交流直流、交流 旋转、直线、多自由度旋转、直线、多自由度 三相交流鼠笼式异步电机的定子和转子直流电动机自动控制系统自动控制系统 （按应用分）：（按应用分）： 运动控制运动控制 (Motion control) (Motion control)过程控制过程控制 (Process contr
3、ol) (Process control)例如：例如： 过程控制过程控制: 啤酒发酵过程，化工提炼过程，锅炉控制啤酒发酵过程，化工提炼过程，锅炉控制 运动控制运动控制:（续页）（续页）(2) (2) 运动控制系统运动控制系统主要区别是主要区别是被控量及控制目标不同被控量及控制目标不同，“运动控制运动控制”以机以机械运动的驱动设备械运动的驱动设备-电机为控制对象，解决电机为控制对象，解决“电能电能机机械能械能”中的控制问题，实现运动机械的运动要求中的控制问题，实现运动机械的运动要求 (2) (2) 运动控制系统运动控制系统芯芯片片光光刻刻机机主轴电机主轴电机带制动器带制动器伺服电机伺服电机伺服电
4、机伺服电机刀库刀具刀库刀具定位电机定位电机机械手旋转机械手旋转定位电机定位电机数控机床数控机床各种制造装备及生产线各种制造装备及生产线:PCB生产线：贴焊、打孔、放置生产线生产线：贴焊、打孔、放置生产线运动控制运动控制半导体制造装备：光刻机、芯片封装机半导体制造装备：光刻机、芯片封装机机械加工装备：各型数控机床机械加工装备：各型数控机床(2) (2) 运动控制系统运动控制系统机器人各个关节的伺服控制机器人各个关节的伺服控制 ASIMO 2003: 行走速度行走速度3.2km /h 2004: 舞蹈机器人舞蹈机器人（近藤）（近藤） 2005: 自行车自主运行自行车自主运行 2010：仿生龟仿生龟
5、空间机器车：空间机器车：旅居者旅居者（1997）军事装备：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制军事装备：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制民用及医疗：空调、洗衣机、民用及医疗：空调、洗衣机、CT机机现代交通：电动汽车、电动自行车、磁悬浮现代交通：电动汽车、电动自行车、磁悬浮l按电机分：按电机分：直流传动系统直流传动系统交流传动系统交流传动系统l按被控量分：按被控量分：以速度为控制量：调速系统以速度为控制量：调速系统以位置为控制量：位置随动系统（伺服系统）以位置为控制量：位置随动系统（伺服系统）l按控制器的类型分按控制器的类型分:模拟控制系统模拟控制系统数字控制系统数字控制系统l按控制原理分：按控制原理分
6、：PID控制、模糊控制控制、模糊控制l按闭环数分：单环、双环、多环系统按闭环数分：单环、双环、多环系统(3) (3) 运动控制系统分类运动控制系统分类可交叉：如数字式双闭环直流调速系统可交叉：如数字式双闭环直流调速系统交流伺服运动控制交流伺服运动控制是以电力电子为基础、以是以电力电子为基础、以交流电机为控制对象交流电机为控制对象、以自动控制理论为指导、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计为以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计为手段手段, ,并与检测技术和数据通信技术相结合并与检测技术和数据通信技术相结合, ,将预将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动定的控
7、制方案、规划指令转变成期望的机械运动, ,实现机械运动精确的实现机械运动精确的位置控制（速度控制、转矩）位置控制（速度控制、转矩）的控制的控制。2 2 “交流伺服运动控制交流伺服运动控制”定义定义 简而言之：交流电机驱动的位置随动简而言之：交流电机驱动的位置随动（伺服）运动控制（伺服）运动控制 制造业是国民经济持续增长的发动机、国家制造业是国民经济持续增长的发动机、国家安全的重要保障及国家综合实力的主要体现安全的重要保障及国家综合实力的主要体现 交流伺服运动控制是运动控制技术的发展趋交流伺服运动控制是运动控制技术的发展趋势，是数字制造装备的核心功能部件，应用广泛势，是数字制造装备的核心功能部件
8、，应用广泛3 3 交流伺服运动控制技术的重要性交流伺服运动控制技术的重要性高性能交流伺服运动控制系统的主要制造商：高性能交流伺服运动控制系统的主要制造商： 美国美国:GE, Rockwell, Emerson, :GE, Rockwell, Emerson, Ansolder,Ansolder, 欧洲欧洲:Siemens, ABB, CT (Emerson), :Siemens, ABB, CT (Emerson), 日本日本: Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, : Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji, Fuji, n 19世纪中先后
9、诞生了直流传动和交流传动。n 在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局： 交流不调速80% 直流调速 20%n 在20世纪80-90年代形成新的格局： 交流调速80%直流调速10%交流不调速10%1.21.2 交流伺服运动控制的发展交流伺服运动控制的发展1 长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统，而交流电动机主要用于不需要变速的电力传动系统中，因为：（1）直流电动机易于控制，改变电机的输入电压或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。（2）交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不易控制 。2 直
10、流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器（1）换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容许值。（2）由于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换向器的直径一般都做的比较大，电机的转动惯量就大。（3）换向器必须定期停机检修，运行中也要经常注意观察换向器的火花情况。1.21.2 交流伺服运动控制的发展交流伺服运动控制的发展3 交流电机的优越性 交流电动机，特别是笼式异步电动机，拥有结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常维修等特点，使其得到了十分广泛的应用。如果能控制好，它具有直流电机无法比拟的优越性。 1.21.2 交流伺服运动控制的发展交流伺服运动控制的发展（1 1）2020世纪世纪2020年代人们就认
11、识到了，但当时直至本世纪年代人们就认识到了，但当时直至本世纪5050年代中期，一直几乎无法实现。年代中期，一直几乎无法实现。（2 2）2020世纪世纪5050年代中期，年代中期，晶闸管晶闸管研制成功，不仅开创了电研制成功，不仅开创了电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制技术发展力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制技术发展的一个大飞跃。的一个大飞跃。（3 3） 2020世纪世纪7070年代发展起来的年代发展起来的矢量控制理论矢量控制理论带交流电机带交流电机控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论上和直流控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论上和直流电机相当。电机相当。（4 4）
12、 2020世纪世纪8080年代的年代的直接转矩控制方法直接转矩控制方法，也对交流电机，也对交流电机控制技术发展发展起来推动作用。控制技术发展发展起来推动作用。4 交流电机调速技术的发展 电力电子技术、微电子技术、交流电机控制技术发展极大促进了交流电机伺服运动控制技术的发展和应用。1.21.2 交流伺服运动控制的发展交流伺服运动控制的发展1.31.3 交流伺服运动控制的组成及基本要求交流伺服运动控制的组成及基本要求1 1 骨骼运动骨骼运动电机部分：交流永磁电机电机部分：交流永磁电机 功率变换部分：可控整流、直流斩波、逆变等功率变换部分：可控整流、直流斩波、逆变等控控制制器器部部分分：PIDPID
13、控控制制、自自适适应应控控制制、模模糊糊控控制制、智能控制、矢量控制、直接转矩控制等智能控制、矢量控制、直接转矩控制等大脑大脑/ /脊椎脊椎传出神经传出神经效应器效应器传入神经传入神经感受器感受器肌肉肌肉/ /骨骼骨骼2 2 交流伺服运动控制的组成交流伺服运动控制的组成指令发生器多轴位置控制器伺服驱动X-Y运动平台目标位置指令电流位置/速度反馈插补算法位置控制位置控制速度控制电流控制2 2 交流伺服运动控制的组成交流伺服运动控制的组成指令位置/速度反馈电流电网单轴运动单轴运动3 3 交流伺服运动控制系统的基本要求交流伺服运动控制系统的基本要求1 1、稳定性好：系统在给定输入或干扰作用下，能、稳
14、定性好：系统在给定输入或干扰作用下，能快速调节到达新的或者回复到原有的平衡状态。快速调节到达新的或者回复到原有的平衡状态。2 2、精度高：系统输出量跟随输入量的精确程度。、精度高：系统输出量跟随输入量的精确程度。通常在通常在0.01mm0.001mm0.01mm0.001mm之间。之间。3 3、快速响应性好：跟踪指令信号的响应快，过渡、快速响应性好：跟踪指令信号的响应快，过渡调节时间在调节时间在200ms200ms以内，上升率大。以内，上升率大。1.4 1.4 现代交流伺服运动控制技术现代交流伺服运动控制技术 数字化、高精度、高速度、高性能数字化、高精度、高速度、高性能是交流伺服运动是交流伺服
15、运动控制系统的发展方向，主要表现在：控制系统的发展方向，主要表现在： 1 1、利用迅速发展的电子和计算机技术，增强软件、利用迅速发展的电子和计算机技术，增强软件控制功能，排除模拟电路的误差及温度漂移等因素的控制功能，排除模拟电路的误差及温度漂移等因素的影响，采用最优控制、自适应控制影响，采用最优控制、自适应控制 2 2、开发高精度、快速检测元件、开发高精度、快速检测元件 3 3、开发高性能伺服电机、开发高性能伺服电机 4 4、控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用、控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用1. 1. 全数字交流伺服驱动技术全数字交流伺服驱动技术全数字进给伺服系统全数字进给伺服
16、系统 脉冲比较伺服系统脉冲比较伺服系统全数字交流伺服驱动技术的发展过程全数字交流伺服驱动技术的发展过程 2. 2. 直线电机驱动技术直线电机驱动技术 旋转电机和直线电机结构对比旋转电机和直线电机结构对比 1 1）高速响应：取消了响应时间常数较大的机械传）高速响应：取消了响应时间常数较大的机械传动件。动件。 2 2）精度：取消了机械结构产生的传动间隙和误差。）精度：取消了机械结构产生的传动间隙和误差。 3 3）传达刚度高：避免了中间传导环节的弹性变形、）传达刚度高：避免了中间传导环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后，同时提高了摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后，同时提高了传达刚度。传达
17、刚度。 4 4）速度快、加减速过程短：可达）速度快、加减速过程短：可达210g210g，滚珠丝，滚珠丝杆杆0.10.5g0.10.5g。 5 5）行程长度不受限制。）行程长度不受限制。 6 6）噪声低。）噪声低。 7 7）效率高。）效率高。直线电机性能特点直线电机性能特点：3. 3. 可编程计算机控制器技术可编程计算机控制器技术 传统的传统的PLCPLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序，无大多采用单任务的时钟扫描或监控程序，无法满足法满足I/OI/O通道的高实时性要求，通道的高实时性要求，PCCPCC采用分时多任务机制采用分时多任务机制构筑其应用软件平台，满足了实时控制的要求。构筑其应用软件
18、平台，满足了实时控制的要求。4. 4. 运动控制卡运动控制卡 基于工业基于工业PCPC机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。采用专业运动控制芯片或高速采用专业运动控制芯片或高速DSPDSP作为运动控制核心，作为运动控制核心，PCPC机机负责人机交互和实时监控，控制卡完成运动控制的所有工作。负责人机交互和实时监控，控制卡完成运动控制的所有工作。 标准化、柔性、开发性；方便构建运动控制硬件平台；标准化、柔性、开发性；方便构建运动控制硬件平台；充分发挥充分发挥PCPC机的功能。机的功能。PC+PMACPC+PMAC运动控制卡构建的二维平台运动控制卡构建的二维
19、平台20MHz Motorola DSP 56001系列数据信号处理器系列数据信号处理器8路（数模转换）路（数模转换）16位位DAC输输出出16个码盘通道输入个码盘通道输入16个通用个通用I/OI/O扩展端口扩展端口越程极限，回原点，伺服放大越程极限，回原点，伺服放大器报警，使能标志信号接口器报警，使能标志信号接口LCD和和VFD显示端口显示端口Bus and/or RS-422通信通信脱机运行脱机运行G-Code 编程（可自定义）编程（可自定义）PMAC 1 PMAC 1 的标准配置的标准配置线性，圆弧，线性，圆弧， 三次轨迹计算，三次轨迹计算，样条插补样条插补256个运动程序存储能力个运动
20、程序存储能力64个异步个异步PLC程序存运行程序存运行超大程序的实时下载执行功能超大程序的实时下载执行功能64位位置计数范围位位置计数范围位置环，速度环，电流环三环位置环，速度环，电流环三环矢量控制能力矢量控制能力曲线加减速控制曲线加减速控制自定义伺服算法能力自定义伺服算法能力电子齿轮电子齿轮先进的先进的PID及扩展伺服算法及扩展伺服算法5. 网际开放式结构高性能DSP多轴运动控制系统技术 多轴运动控制系统由运动控制器与伺服驱动器多轴运动控制系统由运动控制器与伺服驱动器组成，降低整体系统运动控制的路径误差及伺服轴组成，降低整体系统运动控制的路径误差及伺服轴的跟随误差。的跟随误差。 DSP DS
21、P控制和数据通信，多轴伺服单元、控制和数据通信，多轴伺服单元、IOIO子系统以子系统以及中央处理系统集成为独立的高性能多轴运动控制器。及中央处理系统集成为独立的高性能多轴运动控制器。 多轴控制指令集合在一个中断周期内完成，克服了多轴控制指令集合在一个中断周期内完成，克服了传统的多片单片机的并行结构的同步控制瓶颈。传统的多片单片机的并行结构的同步控制瓶颈。 DSP DSP控制控制+ +现场可编程门阵列，可在线设置和重构，现场可编程门阵列，可在线设置和重构，软件升级硬件。软件升级硬件。 基于基于TCP/IPTCP/IP安全通信协议，更安全可靠、传输效率安全通信协议，更安全可靠、传输效率更高。更高。
22、6. 现场总线（CAN/SERCOS/）运动控制技术支持分布式控制支持分布式控制或实时控制的串或实时控制的串行通信局域网络行通信局域网络。基于现场总线的基于现场总线的网络化交流伺服网络化交流伺服体系结构的核心体系结构的核心部分是带有现场部分是带有现场总线接口的多轴总线接口的多轴管理器、全数字管理器、全数字交流伺服驱动器。交流伺服驱动器。 SERCOSSERCOS现场总线运动控制系统现场总线运动控制系统英国trio(翠欧)多轴运动控制器 具有RS232、RS485、USB、Ethernet、CANBus、SERCOS的通讯功能和具有HostLink、DeviceNet、ModBus通讯协议的多轴
23、数字运动控制器，最多可以控制 24 个轴7. 7. 智能数控系统技术智能数控系统技术 智能数控系统技术发展的突破点是智能数控系统技术发展的突破点是高精度智能高精度智能化交流伺服系统化交流伺服系统的研制，它的智能水平决定了数控的研制，它的智能水平决定了数控系统的控制精度，是提高数控机床加工精度的关键系统的控制精度，是提高数控机床加工精度的关键技术。技术。 自学习、自组织、自识别自学习、自组织、自识别的交流伺服控制器，的交流伺服控制器，不依赖于对象模型的智能控制器。不依赖于对象模型的智能控制器。 核心采用与核心采用与PCPC机体系结构机体系结构兼容和兼容和多机系统互联多机系统互联技术的设计而形成的
24、技术的设计而形成的开放式系统开放式系统。课程体系：课程体系：区别于电类，针对机类基础、侧重于应用区别于电类，针对机类基础、侧重于应用 机电一体化产品质量和技术水平的高低，已是当今世界衡量一个国家实力和国际地位的重要标志。高等学校应培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，具有创新精神和实践能力的“机电复合型”人才，使学生掌握机、电、液、计算机等综合控制系统的技术。1.4 1.4 课程课程内容安排、学习方法内容安排、学习方法 电类电类电机与运动控制系统电机与运动控制系统微机原理及接口、工程控制基础、机电传动控制微机原理及接口、工程控制基础、机电传动控制交流伺服运动控制系统交流伺服运动控制系统数控技
25、术数控技术1 1 绪论绪论(2(2学时学时) )2 2 伺服运动控制系统检测技术及元件伺服运动控制系统检测技术及元件(2(2学时学时) )3 3 交流伺服运动控制系统模型及仿真分析交流伺服运动控制系统模型及仿真分析(10(10学时学时) )5 5 基于基于PCPC运动控制板卡的交流伺服运动控制系统运动控制板卡的交流伺服运动控制系统(2(2学时学时) )6 6 基于基于CANbusCANbus现场总线的交流伺服运动控制系统现场总线的交流伺服运动控制系统(2(2学时学时) )7 7 基于基于DSPDSP技术的交流伺服运动控制系统技术的交流伺服运动控制系统(3(3学时学时) )8 8 交流伺服运动控
26、制系统的典型案例分析交流伺服运动控制系统的典型案例分析 (1(1学时学时) )9 9 复习复习(2(2学时学时) )1 1 课程的内容安排课程的内容安排教程： 舒志兵 交流伺服运动控制系统 清华大学出版社 参考资料： 尔桂花、窦日轩 运动控制系统 清华大学出版社 杨耕、罗应立 电机与运动控制系统 清华大学出版社 伺服控制变频器世界2 2 课程的学习方法课程的学习方法 复习：机电传动控制复习：机电传动控制/ /数控技术数控技术/ /工程控制基础工程控制基础/ /模拟电子技模拟电子技术术/ /数字电路数字电路/ /微机原理微机原理 联系：传感技术与智能检测系统联系：传感技术与智能检测系统/ /计算机控制系统计算机控制系统/ /光电检测光电检测技术技术 内容较广，加强理解、记忆！* * 关于课程的教材关于课程的教材考核方式 平时平时( (点名、提问点名、提问) )（40%40%） 开卷考试（开卷考试（60%60%）：教材）：教材+PPT+PPT
