施耐德运动控制概述motion-guide.doc

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第六章. 运动控制

6.1 运动控制的定义
6.2 运动控制的组成
6.2.1 同步伺服电机
6.2.2 步进电机
6.2.3 驱动器
6.2.4 控制器
6.3 运动控制系统的结构
6.4 运动控制要解决的问题
6.5 伺服电机的选型计算
6.6 典型应用

6.1 运动控制的定义

运动控制是指动作的单元以非常精确的设定速度在规定时间到达准确位置的可控运动.
运动单元的运动有如下特点:
路径: 有一个初始位置
有一个终点位置
稳定的速度和上升,下降斜率
动作: 静态和动态响应非常精确
运动响应很快
运动很稳定
位置: 有绝对位置
有相对位置
根据不同的应用工艺, 我们把运动分为有限轴运动和无限轴运动.
有限轴运动是指运动体的运动在一定范围内, 如机械手的运动在设计范围内抓取工件.
无限轴运动是指运动体连续不断的向一个方向运动,没有边界. 如传送带的运动.

6.2 运动控制的组成
运动控制的组成离不开以下4个单元,如图:

运动控制器: 控制运动按照设定的轨迹动作,不断计算位置和速度的匹配
驱动器: 把普通电能转化为向电机提供运动的动力
电机: 产生对负载推动的扭矩
位置传感器: 提供电机轴实时的位置和速度
所以, 运动控制要完成可控的动作, 主要对3个变量进行控制.
即: 电机的力矩, 速度, 位置
如图所示

6.2.1 同步伺服电机
首先让我们看一下运动控制中的执行器: 伺服电机
电机是把电枢电流转化为电机轴输出力矩的一种装置.
从技术角度, 我们通常把电机分为异步电机, 同步电机和步进电机. 从运动形式来分,可分为旋转电机和直线电机。 如图所示：

在运动控制系统中，用到的电机通常为同步无刷电机。

6.2.1.2 无刷伺服电机的工作原理：
集成有位置编码器的电机（位置测量）,其转子是永久磁铁, 定子是与异步电机一样的线圈绕组.

当定子线圈通上交变电流, 就会在转子周围产生旋转磁场,而转子的磁场就会与定子产生的磁场相互作用, 驱动器根据位置反馈情况, 来调整定子磁场,使转子磁场与定子磁场成90度角,使力矩最大.
同时,位置传感器测量出电机轴的旋转角度. 这里,转子的磁场是恒定的(由永久磁铁产生). 而定子的磁场是变化的, 它取决于通到线圈绕组电流的变化频率. 这样转子的转动就跟随着定子的旋转磁场一起运动. 即转子与旋转磁场同步.
集成的位置传感器一般为电压分解器形式, 耐用且够一定精度.

6.2.1.3 同步伺服电机的特性
电机的输出力矩与定子电流( Is )成正比
T=C1x Is C1: 为常数
电机的转速与定子电流的频率(Freq.Is)成正比
S=C2 x Freq.Is C2: 为常数

电机在一定重量下,力矩的大小取决于转子的磁性材料的特性,如磁性材料为钕铁硼,或钐钴等.

从上式可以看出, 磁通量越大, 轴输出力矩也越大.

力矩/速度曲线,电机与驱动器组合

通过力矩/速度曲线, 我们可以看出无刷伺服电机,有着低速高转矩,高过载力矩的特性.
因此,这种电机能够胜任高精度,高动态响应的运动任务.

6.2.2 步进电机.
步进电机原理: 步进电机的定子是带有若干对磁极的永久磁铁. 定子是至少有两相绕组的线圈. 当一个绕组线圈通电时,产生磁场,转子被吸到一个磁极, 当另一个绕组通电时,产生另一个磁场,把转子吸到另一个磁极, 就这样定子线圈分步通电, 转子就被吸着一步一步转动了. (如图所示)
所以,步进电机不需要位置反馈. 运动方式是开环的.

6.2.3 位置传感器
位置传感器集成在电机轴上,用来反馈电机旋转的位置和速度.

通常有3种位置传感器

1. 电压分解器型
2. 增量编码器型
3. 绝对编码器型

位置传感器的特性由3个参数来定义, 这3个参数是:
分辨率, 精度和 一致性
分辨率是指测量一个位置的最小单元. 通常是一转多少脉冲。
所以，编码器的分辨率取决于一转多少个脉冲。（例如，编码器分辨率=1024个脉冲/每转）
分辨率越高，可以达到的精度就越高。

精度： 是指实际位置与测量位置的偏差值。（单位是弧分）
如果速度源自于位置值，则精度影响速度的测量值。

一致性：是指每个周期，编码的重复精度是否一致。

这个例子显示，精度很低，但一致性很好。

6.2.3.1: 电压分解器型位置传感器
电压分解器型位置传感器是一种旋转变压器,它在励磁线圈的激励下,产生正弦,余弦信号, 然后再把正,余弦信号从模拟量转化为数字量, 从而提供出输出轴的绝对位置.

6.2.3.2: 增量编码器型位置传感器
增量编码器通常在旋转时产生两路信号, 这两路信号记录了旋转的脉冲数, 同时由于两路信号相差90度,可以辨别旋转的方向. 第三路信号是一转只产生一个信号的零度标志信号.

6.2.3.3: 绝对编码器型位置传感器
绝对位置编码器有很多组码盘,它可以定义电机轴一圈或多圈中的每一个位置. 如图所示:

通过机械联接,可以把一个个码盘连接起来,这样就可以对多圈位置进行定义,组成多圈绝对编码. 这些编码存储起来,通过串行通讯发送出来.

6.2.4 驱动器
驱动器的作用: 用来控制速度并提供电机所需交变电流.

驱动器原理: 通过功率变换单元,驱动器调节电机的电流和速度,同时,如有控制器集成在驱动器里,它也可控制电机的位置.

6.2.5 控制器

运动控制器组合单轴运动的顺序和多轴运动的程序轨迹. 它可以定义好运动轨迹,并且按照定义的轨迹形成与时间相关的位置,速度给定作为运动的参考.如图

6.2.5.1 几种典型运动

1. 独立轴的运动

2. 插补轴运动

3. 凸轮轴运动

把过去固定的机械凸轮转变为柔性的电子凸轮运动.

6.3 运动控制系统的结构

我们上面说到,一个运动控制系统由3部分组成: 控制器,驱动器和伺服电机.
在实际应用中, 围绕这3个部分各个自动控制制造商给出了基于不同平台的控制结构. 这些控制结构适应了不同的应用需求. 目前主要的应用结构如下:

1. 基于可编程控制器的结构

如图所示, 这种结构的运动控制单元挂在PLC上, 借助PLC软件资源完成各种运动任务. 这些运动控制模板通常有2种控制方式. 一种是输出+/-10V模拟电压, 控制伺服电机的速度, 同时接收伺服电机反馈回来的位置编码, 计算要达到的位置和速度, 形成一个位置闭环, 完成PLC指令下达的运动任务. 另一种方式是位置模板输出脉冲来控制伺服电机的速度和位置. 即脉冲频率控制电机速度, 脉冲个数控制电机要走的位置. 这两种位置控制模板,各个自动化制造商推出的硬件控制标准都是一样的. 因此, 通用性较好, 可以控制任何厂家的伺服电机.
施耐德电气提供了从步进电机控制器到伺服电机控制器的全套产品. 它们是基于Premium PLC的步进控制模板TSXCFY, 它输出脉冲. 控制伺服电机的TSXCAY21,TSXXCAY22, TSXCAY33, TSXCAY41, TSXCAY42. 它们输出+/-10V模拟量.
具体应用指导可参见参考书<运动控制系统的结构及应用>, 由机械工业出版社出版.

2. 基于PC运动控制板卡的结构

这种结构可借助PC的大量软件资源和高级语言编程来完成各种运动任务. 一般应用在特殊机器的控制上

3. 控制器集成在驱动器中的结构

这种结构简捷,运动任务都存储在驱动器中, 通过数字I/O或现场总线就可以操控伺服的运动了.
施耐德电气推出的LEXIUM05 驱动器, 内含了电流环, 速度环和位置环,因此通过I/O可以控制伺服电机的起停. 通过总线,如MODBUS, PROFIBUS-DP, CAN_OPEN 可以控制伺服电机做点到点运动, 做速度,扭矩控制, 做电子齿轮运动. 另一款驱动器LEXIUM15可以存储180条运动任务, 可以用I/O以示教的方式, 让驱动器学习走过的运动任务. 也可以通过现场总线,如:CAN_OPEN, MB+, SERCOS, PROFIBUS-DP, 以太网来控制伺服电机可以控制伺服电机做点到点运动, 做速度,扭矩控制, 做电子齿轮和电子凸轮运动.

4. 独立控制器结构

独立控制器结构是一种非常适合于特殊机器和紧凑机器制造的解决方案. 因为,这种结构不依赖于上位控制平台.控制器或驱动器本身就是一个运动控制处理和曲线计算单元, 它包含有总线通讯控制, 这些总线可以连接到人机界面HMI, 上位PLC, 远程I/O和变频器VSD. 这些单元的控制程序都可以编制在驱动器或控制器内部. 其结构如图所示:

这种结构在驱动器中内置了多种运动功能块,非常方便用户的编程.
用户可以使用开放的编程语言IEC-61131,在驱动器里来编制需要的各种功能和运动任务.

6.4 运动控制要解决的问题
同步伺服电机由于其出色的动态响应, 极强的过载能力,平滑的力矩特性和精确的定位使得它在各个领域都有着广泛的应用. 归纳其核心应用,选用大概要解决如下4个问题

1. 恒速,恒扭矩
在某些应用中,要求速度波动很小(速度精度<0.05%)才能完成工艺要求,保证产品质量.
例如在卷曲运动中,微小的速度变化会影响到张力.
在涂层平整时,微小的速度变化会影响涂层厚度. 这些都要求电机具有很好的速度平稳精度.

同样在收/放卷时,为了控制一定的张力, 要求电机的传动在设定张力下进行.

2. 定位,点到点,包括插补

在快速的定位, 输送和机加工中, 由于对位置要求的精度高,需要采用伺服电机.

3. 电子齿轮

在过去的传动中,大量采用机械齿轮箱进行同步传动, 这种主从传动是固定的,有一定的传动误差和磨损. 目前,逐步采用伺服电机做主从电子传动, 称为电子齿轮. 如图所示

4. 电子凸轮

采用伺服电机可以实现类似于机械凸轮的功能, 称为电子凸轮.
一般伺服电机作为从轴跟随主轴做非线性的同步运动. 所以电子凸轮曲线可以编辑很多,存储在运动控制器或驱动器中,很方便地调用. 这种柔性设计大大方便了使用者.

6.5 伺服电机的选型计算

在设计一个运动控制系统时, 我们应尽可能的选择那些转动惯量和负载惯量相等的电机. 一般来说, 负载惯量不应大于10倍的电机转动惯量.
当惯量不匹配时,会引起电机振动和超速. 当惯量比很大时,会引起机械的共振.
减速机可以用来降低负载的惯量来适配伺服电机.

如图所示:

负载速度 = 电机速度 / 齿轮比

电机力矩 = 负载力矩 / 齿轮比

电机惯量 = 负载惯量 / 齿轮比

所以,在选择一个合适的电机时,我们要首先计算一下负载的转动惯量

惯量的计算:

矩形体的计算

以a-a为轴运动的惯量:
公式中:

以b-b为轴运动的惯量:

圆柱体的惯量

空心柱体惯量

摆臂的惯量

曲柄连杆的惯量

带减速机结构的惯量

齿形带传动的惯量

齿轮组减速结构的惯量

滚珠丝杠的惯量

折算到电机的力矩

传送带的惯量

总惯量

折算到电机的惯量

折算到电机的扭矩

齿轮,齿条传动惯量的计算

6.6 典型应用
6.6.1 雕刻机, 绣花机

在雕刻机中,应用伺服电机的2维直线或圆弧插补功能, 来完成各种设计图案的加工.在这种应用中, 控制结构一般采用基于PC机的运动控制板卡. 它可以利用PC机能运行的多种通用功能软件,来方便的转化,形成各种控制指令. 如CAD软件. 用户只要用CAD软件画出图形, PC机就把图形转化为运动控制卡驱动伺服的各种指令, 来完成曲线的加工. 但在工业恶劣的环境中, PC机的可靠性和抗干扰性不高及长时工作的不稳定性,导致了一些领域必须使用基于PLC的控制结构. 如: 采用施耐德电气基于PLC的位置控制模板TSXCAY33来完成曲线的插补控制. 控制结构如图:
CAY33

图中标明线号为连接电缆规格,以便用户选用

这种结构的优点是能够工作在较恶劣的环境下, 能够长时间连续加工,可靠性高. 但由于基于PLC, 一些通用的图形软件无法使用, 给编辑图形带来了诸多不便.
根据这种情况,施耐德又推出了一款新的控制器LEXIUM PAC, 它相当于一个独立的运动控制结构.内部可以调用各种功能块来编程, 能够实现2轴的直线和圆弧插补. 曲线的编辑可以编写曲线指令或把用CAD画好的图形调入控制器即可. 其结构简捷, 可靠性提高. 如图示

在控制器里, 可以存储设计好的各种图形, 通过人机界面可以调用这些图形. 人机界面可以通过以太网连到控制器,也可以通过MODBUS连到控制器. 这种控制器可以扩展需要的逻辑I/O点, 也可以外接编码器,作为主轴信号.

6.6.2 绕线机

绕线机的工艺实现要用到电子凸轮的功能, 由于要绕各种规格的线, 所以就需要不同的凸轮曲线. 这些凸轮曲线也要存储在控制器中, 随时调用. 目前实现这种功能, 最简单的方案就是独立运动结构.

凸轮曲线的编辑可以用嵌入在控制器中的编辑器来完成.

集成在控制器软件中的曲线编辑器.

6.6.3 滚剪

滚剪其功能是实现定长剪切, 剪切的材料可以是带钢, 塑料或纸张. 输送材料是连续的, 因此联在滚刀(绿色)上的伺服电机跟随后面的牵引辊做同步运动, 由于在剪切时, 刀的速度要与牵引速度一致, 因此,设计的剪切曲线必须如下所示:

绿色为速度曲线, 黑色为位置曲线, 粉色为加速曲线.

这样在剪切时就不会造成堆料或拉料了.

6.6.4 灌装机

灌装机要实现以下几种功能.
1. 瓶子在进入灌装之前, 要按照工艺要求进行分列整理.
即:把无序的瓶子码放整齐. 用到速度同步功能

2. 灌装口与码放整齐的瓶子同步运动, 完成灌装. 用到电子凸轮功能.

3. 传感器检测到瓶子位置, 用到快速位置定位功能.

因此,它的控制结构为独立控制器结构

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