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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
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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
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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：
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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.
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