多轴运动控制器和驱动器.docx

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多轴运动控制器和驱动器

多轴运动控制器

1、运动控制器概述

随着现代控制技术的提高，运动控制器的出现在某种意义上满足了新型数控系统的标准化、开放性的要求，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自动化控制系统的研制和改造提供一个统一的硬件平台。

整体而言，运动控制器是一种控制装置，其核心为中央逻辑控制单元,敏感元件一般为传感器，控制对象为电机或动力装置和执行单元。

目前，大多数的运动控制器是一种基于PC机或工业PC机的上位控制单元，多用于控制步进电机或伺服电机，在控制过程中，控制器可以完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等）。

一般地，控制器都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发，从而构造所需的控制系统。

图1给出典型的PC+运动控制器组成的开放式控制系统的简图：

一般地，运动控制器发送运动控制指令到伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机运行，再通过伺服电机上的编码器反馈信号返回至运动控制器，至此，整个运动控制系统实现运动控制器的闭环控制。

图1典型的Pc+运动控制器组成的开放式控制系统的

2、运动控制器国内外研究现状

在20世纪90年代,国际发达国家就已经相继推出运动控制器产品，包括美国Deltatau公司的PMAC多轴运动控制器，英国TRIO公司的PCI208多轴运动控制器以及德国MOVTEC公司开发的DEC4T运动控制器等。

近年来，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的工业领域所接受。

目前，由这些发达国家研制的运动控制器已开始在机器人控制、半导体加工、飞行模拟器等新兴行业得到了很大的应用，其在传统的机床控制领域所占的市场份额也在不断的扩大。

我国在运动控制器产品开发方面相对滞后，1999年固高科技有限公司开始开发、生产开放式运动控制器，随后，国内又有其它几家公司进入该领域，但实际上，其大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。

深圳固高、深圳摩信是国内较早（20世纪90年代晚期）从事独立开放式运动控制器的厂家，推出了一些通用的运动控制器。

如固高的GT系列运动控制器、摩信的MCT8000系列运动控制器；长沙力鼎科技有限公司的MC系列3轴模拟电压控制/编码器反馈型运动控制器，4轴有/无反馈脉冲输出型运动控制器；南京顺康数码科技有限公司的MC6014A使用了带插补功能、可以控制4个电机的DSP运动控制芯片，适用于PC机ISA总线的线路板；成都步进机电有限公司的MPC01和MPC02系列3轴步进或数字式伺服控制运动控制器。

目前，我国作为世界上经济发展最快的国家之一，市场上新设备的控制需求、传统设备技术升级和换代对运动控制器的市场需求越来越大，在这样的形势下,研制出具有自主知识产权的高水平、高可靠性的开放式运动控制器，突破发达国家对我国的技术壁垒，实现运动控制器的国产化显得尤为重要。

3、运动控制器分类

目前市场上可以看到的运动控制器依据不同的原则有不同的分类。

按照运动控制器的核心技术方案，主要有基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程逻辑型、基于数字信号处理（DSP）型等；按照运动控制器的系统结构，可分为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器以及混合型的运动控制器；按照位置控制原理，可以分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案；按照被控量的性质和运动控制方式，可以分为位置控制、速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。

而国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类：

（1）以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。

在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。

（2）以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，大多数工作于开环控制方式，基本满足于对单轴的点位控制。

但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能够提供连续插补功能，很难满足要求。

（3）基于PC总线的以DSP和FPGA为核心处理器的开放式运动控制器。

近年来，DSP以其功能强、速度快、编程和开发方便等优点，在多轴运动控制技术领域得到了很大的发展。

此类控制器即以DSP作为核心处理器，以PC机作为信息处理平台，以插卡形式嵌入PC机，形成“PC+运动控制器”的模式。

功能上，通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。

第一类运动控制器由于其性能的限制，主要应用于一些单轴简单运动的场合。

第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额，但由于其专用芯片（ASIC）仅能提供运动控制的基本功能，限制了这种运动控制器在复杂条件的使用。

第三类运动控制器是目前国内运动控制器产品的主流，应用也从传统的机床数控扩展到了如机器人控制、激光加工、纺织、电子加工等多个领域。

本课题的研究内容即为设计出一款适应于工业焊接机械人的第三类运动控制器。

4、运动控制器发展趋势

随着控制技术的快速发展，传统的运动控制技术由于其封闭式结构!

控制软件兼容性差等原因，已经不能满足现代工业的发展要求。

目前而言，新型的运动控制器有以下几个主要的发展趋势：

现阶段，新型数控系统标准化、柔性化的要求促使了现代控制系统中开放性体系概念的提出。

所谓开放性体系即系统应具备使不同应用程序能很好地运行于不同供应商提供的不同平台之上的能力，不同应用程序之间能够相互操作的能力和一致的用户交互风格。

新型运动控制器应该以开放化为目标，能够方便地与机床、机器人等被控设备联接，硬件上能够实现一到多个坐标轴位置、速度和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制。

其次,新型运动控制器应该在结构上应形成模块化，易于实现数控系统的集成化和标准化，可以通过积木方式进行方便的相互组合，以建立适用于不同场合、不同功能需求控制系统，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自动化控制系统的研制和改造提供一个统一的硬件平台。

最后，新型的运动控制器应该紧跟计算机技术的快速发展。

随着现代计算机功能的强大，利用运动控制卡和PC机相结合，或者将PC系统直接嵌入运动控制卡中已经成为一个重要的发展趋势。

驱动器

1、直流无刷电机的优点及其驱动器

直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（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，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用（如家电、汽车等）场合极其广泛。

但是由于无刷直流电动机<>功率因数高，又无转子损耗所以效率很高，转子转速严格与电源频率保持同步，转子磁场用永久磁铁产生。

目前这种电机广泛应用于数控机床的进给驱动，机器人的伺服驱动以及新一代家用电器的变速驱动中，由于变频调速方法具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，因此应用前景十分看好。

目前无刷直流电动机的定子、转子结构与传统的直流电动机无大的差别，由于电子换相电路的成本高于机械换向器，因而使无刷直流电动机的成本及售价增加，从而限制了它的应用。

特别是当前直流电动机的应用已扩展到民用产品的领域，无刷直流电动机的价格是限制其应用的主要因素。

1.1直流无刷电机的优点

⑴电机可以无级调速，工作转速范围很大，可满足各种运行模式下的转速要求。

由于采用DSP芯片将驱动器及控制器集成于一体，用户可方便地在驱动器上编程，从而实现各种变速甚至定位动作。

⑵无刷直流电机可以工作在超低转速，这一点超越了交流变频器的性能，所以新型无刷直流电机完全可以取代小功率交流变频器。

⑶无刷直流电机起动力矩大，几乎不受电网电压波动的影响。

⑷无刷直流电机比交流变频系统效率还要高。

⑸无刷直流电机温升较低，与同功率交流电机相比温升可低30%左右，因而其寿命要大大高于交流电机。

⑹无刷直流电机噪音较低。

1.2直流无刷电机的驱动器

永磁无刷直流电动机调速系统中的驱动器一般采用电压源型脉宽调制（PWM）交-直-交变频器。

变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响:

谐波造成电机发热，能耗增加，引起电磁和机械噪声。

二要看对电网的谐波污染和输入功率因数。

这两方面，对于在量大面广的家用电器中的应用尤为重要，它直接关系到能量的节省、噪音对环境的影响和对电网的污染。

由高开关频率自关断器件组成的PWM交—直—交变频器再加上合理的控制可以达到较高的性能。

2、交流伺服电机的优点及其驱动器

2.1交流伺服电机的优点

（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

（2）定子绕组散热比较方便。

（3）惯量小，易于提高系统的快速性。

（4）适应于高速大力矩工作状态。

2.2交流伺服电机驱动器

交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元及相应的反馈检测器件组成。

其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。

我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。

如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。

控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。

控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。

伺服系统的发展过程

1、直流伺服技术

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。

电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。

50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。

70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。

2、交流伺服技术

从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。

交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:

永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。

其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。

感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。

但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。

系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。

为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。

三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。

速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。

电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。

电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。

3、交直流伺服技术的比较

直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。

直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。

所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。

从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。

在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。

4、伺服控制算法

 工业控制中常用的方法是PID调节器，尽管随着现代交流调速技术的发展，出现了各种新型控制算法，如自适应控制、专家系统、智能控制等。

从理论分析，许多控制策略都能实现良好的电机动静态特性，但是由于算法本身的复杂性，而且对系统进行模型辨识比较麻烦，因此，在实际系统中实现时困难，对于传统的PID调节器而言，其最大的优点在于算法简单，参数易于整定，具有较强的鲁棒性，而且适应性强，可靠性高，这些特点使PID控制器在工业控制领域得到广泛的应用。

对于数控系统中的控制对象而言并不复杂，用PID调节器更易实现预期效果。

4.1位置环PID控制算法

  在数字PID调节控制系统中，引入积分环节的目的是为了消除静差，提高精度，但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服电机的运行来说是不利的。

为减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响，采用积分分离PID控制正当其时，当电机的实阶位置与期望位置的误差小于一定位值时，再恢复积分校正环节，以便消除系统的稳态误差。

  积分分离PID控制算法需设定积分分离阀ε，当|e（k）|＞ε时，即偏差值较大时，采用PD控制，减少超调量，使系统有较快响应；当|e（k）|≤ε时，即偏差值比较小时，采用PID控制，以保证伺服电机位置控制精度。

  离散化PID控制算式为：

  其中，k为采样序号，k=0，1，2…；Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数。

在实际中，若执行机构需要的是控制量的增量，根据递堆原理可得增量式PID控制算式为：

4.2位置环控制算法流程

图2所示为控制算法流程图。

4.3控制系统参数的整定

  主控微机向控制卡发送PID参数，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。

参数整定的主要任务是确定Kp、Ki、Kd及采样周期T，比例系数Kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分系数Ki增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降；微分控制可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间缩短。

通常的方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法，以及归一参数整定方法。

这几种方法源于使用齐格勒-尼柯尔斯（Ziegler-Nichols规则）〔4〕，通常可认为交流伺服系统的模型为一阶带有延迟环节的模型（带滞后的一阶环节）：

  式中的一阶响应特征参数K、L和T可以由图3所示的S型响应曲线提取出来。

求取这些参数对实际系统并不困难，可以通过对系统进行阶跃输入激励，得到响应曲线，再根据曲线求出其特征参数。

于是可由Ziegler-Nichols整定规则得到：

 数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密切相关。

一方面要满足香农定理，即ωs≥2ωmax，实际系统输入及反馈的最大频率ωmax难以测定，另一方面采样周期并没有一个精确的计算公式，只能根据工程应用按经验规则选取，对于机电控制系统，要求较短采样周期，通常为几十毫秒。

在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。

现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。

目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分/）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、H∞控制等。

通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。