1、5.2 驱动与运动控制系统驱动与运动控制系统什么是控制什么是控制 简单地说，简单地说，就是为了达到一定目的而实行的适当操作。就是为了达到一定目的而实行的适当操作。步骤：步骤：（1）记住期望水位值；）记住期望水位值；（2）测量水池实际水位；（）测量水池实际水位；（3）计算期望水位与实际水位的误差；计算期望水位与实际水位的误差；（4）根据误差正确地调节进水）根据误差正确地调节进水阀门。阀门。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。控控制制系系统统标标准准框框图图浮子阀门水池目标水位现在水位流入流量电机比较电路控制部分控制部分a.比例环节比
2、例环节P弹簧的伸长弹簧的伸长y y与力与力f f成比例，即成比例，即 y=k1f（k1=定值定值）像弹簧这样的环节称为像弹簧这样的环节称为比例环节比例环节。设流入的流量为设流入的流量为x，活塞的移动距离活塞的移动距离为为y，S为活塞的截面为活塞的截面积，积，t为时间。为时间。如果如果x是变化的，即为是变化的，即为t的函数，则的函数，则txdtsy01也就是说，若以流入的流量也就是说，若以流入的流量x作为输入作为输入，以移动距离，以移动距离y作为输出作为输出，则油缸是个则油缸是个积分环节积分环节。b.积分环节积分环节I当流入的流量为一定值当流入的流量为一定值x x0 0时，可以得出：时，可以得出
3、：y=x0t/S对质量为对质量为M的物体施一水平力的物体施一水平力f，当力为定值当力为定值f0时，可以得出时间时，可以得出时间t后的速度后的速度v=f0t/M如果如果f是变化的，即为是变化的，即为t的函数，则的函数，则tfdtMv01也就是说，若以外力也就是说，若以外力f作为输入作为输入，以速度，以速度v作为输出作为输出，则质量，则质量M的的物体也可以称之为物体也可以称之为积分环节积分环节。c.微分环节微分环节D求得活塞的移动距离求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力与作用于活塞的力f之间的关系：之间的关系：dtdyf/式中式中 为缓冲器的粘性摩擦系数。为缓冲器的粘性摩擦系数。也就是说，若以距离
4、也就是说，若以距离y作为输入作为输入，以力，以力f作为输出作为输出，则缓冲器可以称，则缓冲器可以称为为微分环节微分环节。下面我们来说明一下在反馈控制中常用的下面我们来说明一下在反馈控制中常用的PID控制。在控制。在PID控制的名称中，控制的名称中，P指指proportional(比例），比例），I指指integral（积分），积分），D指指derivative（微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，偏差的微分值来控制。偏差的微分值来控制。机器人系统中更多的是高度非线性及强耦合系统的控制问题。机器人系统中更多的是高度非线性及强耦合系统的控制问题。解决
5、这些问题的新技术有：解决这些问题的新技术有：最优控制、解耦控制、自适应控制、最优控制、解耦控制、自适应控制、变结构滑模控制及神经元网络控制变结构滑模控制及神经元网络控制等。等。或或 PID控制的基本形式可用下图表示。控制的基本形式可用下图表示。如果用如果用e=r-y表示偏差，则表示偏差，则PID控制变为：控制变为：。它。它们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而TI(=kP/kI)称为积分时间，称为积分时间，TD(=kD/kP)称为微分时间，分别具有时间量纲。称为微分时间，分别具有时间量纲。PID控制规律的传递函数可表示为控制规律的传递函数可
6、表示为:PID控制规律的离散形式为控制规律的离散形式为:式中，式中，T为采样周期；为采样周期；e(n)为第为第n次采样的偏差值；次采样的偏差值；e(n-1)为第为第n-1次采样时的偏差值。次采样时的偏差值。PID控制器的三个参数有不同的控制作用。控制器的三个参数有不同的控制作用。（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度加快系统的跟踪速度，但
7、对输，但对输入信号的噪声很敏感。入信号的噪声很敏感。（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，统中，增大增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；可加快响应速度，但过大容易出现振荡；（2）积分控制器能）积分控制器能消除或减弱稳态偏差消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；限制系统的快速性；计算机执行装置（电气、液压等）机器人构成执行机构（臂、手等）传感器（视觉、触觉等）环境（控制对象）惯惯性性矩矩变变化化引引起起的的驱驱动动力力变变化化物物体体重重时
8、时手手臂臂的的姿姿势势不不同同时时有障碍物时有障碍物时路径（运动轨迹）控制路径（运动轨迹）控制力控制力控制 机械手爪与外界接触有两种极端状态：机械手爪与外界接触有两种极端状态：a.手爪位置的手爪位置的PID控制控制 一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置置/力的混合控制问题。力的混合控制问题。基于直角坐标的基于
9、直角坐标的PID控制控制坐标转换坐标转换与与PIDPIDPIDc.顺应（柔顺）控制顺应（柔顺）控制 顺应控制（柔顺控制）顺应控制（柔顺控制）本质上也是力与位置混合控制。分为本质上也是力与位置混合控制。分为两类：被动顺应控制和主动顺应控制。两类：被动顺应控制和主动顺应控制。被动柔顺控制被动柔顺控制手腕响应速手腕响应速度快，但它的设计针对性强，通用性不强。度快，但它的设计针对性强，通用性不强。主动顺应控制主动顺应控制使用灵使用灵活、通用性强，但对传感器的要求较高。活、通用性强，但对传感器的要求较高。近年来又出现了近年来又出现了主动和被动相结合主动和被动相结合的方法。的方法。附：附：数字控制系统（硬
10、件）数字控制系统（硬件）数字计算机执行装置（电机、液压等）执行机构（臂、手等）传感器（视觉、触觉等）环境（控制对象）运动控制卡A/D驱动器端子板图像采集卡通过主机和LM628及一些其他器件组成的最小系统如图 运动控制器工作原理GM-400运动控制器的原理框图，所示的增量式编码器的A、B相信号作为位置反馈输入信号。运动控制器通过四倍频及加、减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，上级计算机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由上级计算机设定，通过内部计算得到位置误差值，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换(DAC)或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，经过转换，最后输出伺服电动
11、机的控制信号，即10V模拟信号或PWM信号。这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。执行装置执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。装置和气动执行装置。新型执行装置：新型执行装置：压电执行装置：压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电
12、压而产生变利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。形的压电效应。形状记忆合金执行装置：形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。数字计算机执行装置（电机、液压等）执行机构（臂、手等）传感器（视觉、触觉等）环境（控制对象）运动控制卡A/D驱动器端子板图像采集卡直流电动机直流电动机通过通过换向器将直流转换向器将直流转换成电枢绕组中换成电枢绕组中的交流，从而使的交流，从而使电枢产生一个恒电枢产生一个恒定方向的电磁转定方向的电磁转矩。矩。T=BILr换向器换向
13、器电刷电刷2)矩频特性曲线：矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。电流控制曲线和电压控制曲线。3)直流电机的控制方式直流电机的控制方式 改变电压或电流控制转速和转距。改变电压或电流控制转速和转距。RKKVTTE)(其中，其中，KE为电为电动势常数，动势常数，KT为转矩常数。为转矩常数。PWM(Pulse Width Modulation)控制控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的
14、控制，改变电枢两端的平均电压流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。达到调节电机转速的目的。优点：优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。4)直流电机的特点直流电机的特点 缺点缺点：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，：换相器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。噪音比交流电机大。1)工作原理工作原理止口止口2)矩频特性曲线矩频特性曲线 同步
15、电机：同步电机：定子是永磁体，定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。场速度相同。异步电机：异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速和定子间存在速 度差（不是角度差）。度差（不是角度差）。同步电机的特点：同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。度以下的工业机器人；机床领域。伺服电机的精度由编码器的精度决定。伺服电机的精度由编码器的精度决定。3）交流电机的特点）交流电机的特点 4）交流电机的控制方式）交流电机的
16、控制方式 改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。特点：特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。驱动电路复杂、价格高。异步电机的特点：异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。等功率以上的伺服系统。步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环较容易，维修也较方便，而且
17、控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。控制，所以精度不高。永磁式永磁式PM（permanent magnet）；反应；反应式（也称可变磁阻式）式（也称可变磁阻式）VR（variable reluctance），），在欧美等发在欧美等发达国家达国家80年代已被淘汰；混合式年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混，混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进
18、电机按设定的当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1）工作原理）工作原理 PM式步进电机式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一
19、般为间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。VR式步进电机式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。HB式步进电机式步进电机是是PM式和式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状式相同，转子和定子的形状与与VR式相似，步距角一般为式相似，步距角一般为0.9o
20、15o。产生不同产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。对磁场的激磁线圈对数。2）相关术语相关术语 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式：，四相八拍运行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。表示。一般步进电机的精度为步距角的一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。，且不累积。保持
21、转距（保持转距（HOLDING TORQUE）或静转矩是指电机各相绕或静转矩是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接是电机选型时最重要的参数之一。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当说近保持转矩。比如，当说2Nm的步进电机时，在没有特殊说明的情的步进电机时，在没有特殊说明的情况下一般是指保持转矩为况下一般是指保持转矩为2Nm的步进电机。的步进电机。定位转矩定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混是指电机各相绕组不通电且
22、处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于转矩远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。反应式步进电机的重要标志。DETENT TORQUE 在国内没有统一在国内没有统一的翻译。的翻译。细分驱动器的原理细分驱动器的原理驱动器细分后的主要优点：驱动器细分后的主要优点：（1）完全消除了电机的低频振荡。）完全消除了电机的低频振荡。（2）同时也提高了电机的输出转矩。）同时也提高了电机的输出转矩。（3）提高了电机的
23、分辨率。）提高了电机的分辨率。通过改变相邻（通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。角来控制步进电机运转的。3）运行矩频特性运行矩频特性4.步进电机驱动的特点步进电机驱动的特点控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。起动曲线起动曲线运行曲线运行曲线在这个输出转矩在这个输出转矩区间，步进电机区间，步进电机启动时的输入脉启动时的输入脉冲频率必须缓慢冲频率必须缓慢增加增加
24、实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；的问题；高速性能好，一般额定转速能达到高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；转；抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；运行现象。适用于有高速响应要求的场合；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫
25、秒之内；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪音明显降低。发热和噪音明显降低。伺服电机与步进电机比较伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势：伺服电机的优势：超声波电机超声波电机（一种未来很有希望的电机）（一种未来很有希望的电机）特点：特点：超声波电机具有体积小，超声波电机具有体积小，重量轻，不用制动器，速度和位置控重量轻，不用制动器，速度和位置控制灵敏度高，转子惯性小，响应性能制灵敏度高，转子惯性小，响应性能好，没有电磁噪声等普通电机不具备好，没有电磁噪声等普通电机不具备的优点。的优点。工作原理：工作原理：当给压电陶瓷施加一当给压电陶瓷施加一定方向的电压时，各部分产生的定方向的
26、电压时，各部分产生的应变方向相反（在正电压作用下，应变方向相反（在正电压作用下，+的部分伸长，的部分伸长，-的部分压缩），的部分压缩），+、-部分交替相接。在交流电压部分交替相接。在交流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周的作用下，压电陶瓷就会沿圆周方向产生交替的伸缩变形，定子方向产生交替的伸缩变形，定子弹性体的上下运动产生驻波。此弹性体的上下运动产生驻波。此外，由于重叠在一起的两片压电外，由于重叠在一起的两片压电陶瓷的相位差为陶瓷的相位差为90O，所以，在，所以，在形成驻波的同时也会在水平方向形成驻波的同时也会在水平方向形成行波。这样，在驻波和行波形成行波。这样，在驻波和行波的合成波的作用下，使
27、定子作椭的合成波的作用下，使定子作椭圆运动轨迹的振动。这样，装在圆运动轨迹的振动。这样，装在定子上的转子在摩擦力的作用下定子上的转子在摩擦力的作用下就会产生旋转。就会产生旋转。同样也有直线运同样也有直线运动的超声波电机。动的超声波电机。直接驱动电机（直接驱动电机（direct drive:DD）优点：优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。控制。种类：种类：直流力矩电机、无刷直流电机、直流力矩电机、无刷直流电机、VR
28、式电机等。式电机等。缺点：缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。液压驱动液压驱动液液压压缸缸液液压压马马达达优点：优点：（1）容易获得比较大的扭矩和功率；）容易获得比较大的扭矩和功率；（2）功率）功率/重量比大，可以减小执行装置的体积；重量比大，可以减小执行装置的体积；（3）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；）刚度高，能够实现高速、高精度的位置控制；（4）通过流量控制可以实现无级变速。）通过流量控制可以实现无级变速。缺点：缺点：（1）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；）必须对油的温度和污染进行控制，稳定性较差；（2）有因漏油而发生火
29、灾的危险；）有因漏油而发生火灾的危险；（3）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。）液压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。液压驱动的特点：液压驱动的特点：气动驱动气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。气动执行装置的种类：气缸、气动马达。优点：优点：（1）利用气缸可以实现高速直线运动；）利用气缸可以实现高速直线运动；（2）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；）利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制；（3）无火灾危险和环境污染；）无火灾危险和环境污染；（4）系统结构简单，价格低。）系统结构简单，价格低。缺点：缺点：（1）由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控 制都比较困难，驱动刚性比较差；制都比较困难，驱动刚性比较差；（2）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停）虽然撞停等简单动作速度较高，但在任意位置上停止的动作速度很慢；止的动作速度很慢；（3）噪音大；）噪音大；气动驱动的特点：气动驱动的特点：祝大家考试祝大家考试顺利顺利!
