运动控制技术学习要求

1、了解工业和工程运动控制系统的应用领域、主要用途、及解决的关键技术问题是什么？为什么一定要用伺服系统？

答：应用领域：运动控制广泛应用于包装、装配、纺织、造纸、印刷、食品加工、木制品、机械设备、电子设备和半导体制造等各类行业，它是自动化机械及过程的核心。运动控制涉及控制负载的机械运动。

2、什么是伺服电机、伺服电机的构成和工作原理是什么？

答：伺服电机是一个独立的电气装置，他能高效率、高精度的旋转机械部件，他的输出可以做到其他电机做不到的，比如可以移动到特定的角度、位置和速度。构成：一台典型的交流伺服电机是由一个采用三相分布绕组的定子、具有永久磁铁的转子和一个可检测转子位置的位置传感器组成的

工作原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/VW 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

3、运动规划、路径规划、轨迹规划区别是什么？

答：运动规划由路径规划和轨迹规划（时间）组成，连接起点位置和终点位置的序列点或曲线称之为路径，构成路径的策略称之为路径规划。路径是机器人位姿的一定序列，而不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。运动规划（又称运动插补）是在给定的路径端点之间插入用于控制的中间点序列从而实现沿给定的平稳运动。轨迹规划在路径规划的基础上加入时间序列信息，对机器人执行任务时的速度与加速度进行规划，以满足光滑性和速度可控性等要求。

4、梯形、s曲线、多项式等轨迹规划优缺点是什么？适用范围有什么区别？

多项式：多项式的优点是实现简单，但是缺点是大部分时间速度比较小，性能没有充分发挥，运动效率低。一种改进的方法是利用分段多项式，此时速度为梯形，又称为梯形速度曲线。

梯形曲线：梯形速度曲线的优点是可以在一段比较长的时间保持较大的速度，缺点是加速度不连续，加加速度在切换点的值是无穷大，这在实际应用中会造成冲击，容易造成机械设备损坏。

s曲线：为了使加速度平滑连续，可将速度曲线的尖角圆滑处理为S形，圆角采用二次抛物线构造，这种重新构造的速度曲线在加速度的正、零、负各段之间转换时是平滑的。与梯形速度曲线不同加速度不再是常数，并且，加减速时产生的冲击也不是无穷大了。只要冲击有限，就不会突然使负载振动而破坏平滑的周期运行[2]，电机电流、力或转矩突然变化的要求被消除。此外，减小了运动的高频振荡。因此，采用S形曲线可增加电机的使用寿命，提升系统的精度。

适用范围：S曲线可以用在任何地方，从0%加速度（梯形移动）到100%加速度。随着S曲线段的增大，移动更为平滑，但需要更大的转矩。100%的S曲线是比较极端的，需要梯形移动的双倍转矩才能得到相同的平均加速度。在相同的时间段内有相同的速度过渡，不过采用S曲线要求50%以上的峰值加速度，这可能意味着需要更大的加速度电流，或者更换一台有更大转矩的电机。

5、多轴插补运动和非插补运动有什么区别？

答：

6、单轴运动、多轴运动的概念是什么？电动、回零原理及过程？电子凸轮、电子齿轮、同步运动的概念是什么？如何通过速度同步实现张力控制？

答：单轴运动就是在某个时间移动一个轴而没有和任何其他轴的联动。

多轴运动：当有多个轴用运动控制器控制时，它们可以产生复杂的联动。

点动是一个单轴的简单运动。可以设定配置参数来定义点动运动的速度和加速度。指令可配置定义为正向或负向移动到一个指定位置、通过一定距离或连续移动到任意的停止位置。

回零的目的是为坐标轴建立绝对坐标参考位置。这个参考位置称为零位。

尽管有几种回零方法，用得最多的还是通过一个传感器，用移动直到被触发的方案来建立零位。图7-3展示了一个坐标轴，它有两个在行程末端的极限开关，一个在中间的零件开关。通常这些开关连线到该轴控制器对应的数字I/O上。

主动轴运动与从动轴运动之间的一个常数齿轮比可以通过电子齿轮建立。由于从动轴的位置随主动轴的位置运动，电子齿轮也称为位置随动齿轮。

尽管概念源于机械凸轮随动机构，利用电子等价替代机械凸轮随动机构时，软件可变比的实现能力远远超过了它的被替代者，许多复杂的多轴运动都可以用电子凸轮实现。

同步功能可以跟踪前级驱动单元的运行速度，当系统速度变化时，张力系统能快速跟踪速度的变化，改变输出值，使得整个系统能快速同步运行，并保持较小的张力波动。

7、掌握常用的传动机构原理、作用、选型计算原则和依据，如带轮、丝杠、齿轮箱、传送带等。

带轮：带轮传动机构由两个带轮和一根带组成。采用这种没有滑移的带可以使负载的位置更加精确。与同步带配套的带轮称为扣链齿轮。

传动比：惯量折算：

负载转矩

丝杠：丝杠被广泛用来将旋转运动转换成直线运动。有两种最常用的丝杠，梯形螺纹丝杆（ACME）和滚珠丝杠滚珠丝杠在一个凹槽中装有精密研磨的滚珠轴承。丝杠与螺母不相互接触。丝杠（或螺母）旋转时在丝杠和螺母间凹槽中的滚珠重复回转。当滚珠到达螺母尾部时，它们会被导入一条返回管道回到螺母的头部，连续循环。

三种方案计算见ppt（传动链设计）

传送带有一个或多个导辐。它能够使用较长的带传送较重的负载。

齿轮箱比定义为

通常用符号如5：1表示齿轮箱比。它意味着Ngb=5,表示电机的速度是负载速度的5倍。除了轴速，其他参数也可用于确定齿轮箱比。

7、什么是惯量匹配？为什么惯量不匹配会影响运动控制系统的性能？

惯量匹配是指负载及传动系统折算到进给电动机的转动惯量与进给电动机的自身惯量相匹配。如折算惯量大于进给电动机自身惯量，那么当进给急停或正负进给方向切换时，进给电动机会因大负载惯量而失稳，

惯量匹配是为了负载及传动系统折算到进给电动机的转动惯量与进给电动机的自身惯量相匹配。如折算惯量大于进给电动机自身惯量，那么当进给急停或正负进给方向切换时，进给电动机会因大负载惯量而失稳

8、掌握运动转矩匹配和计算方法，了解伺服电机、齿轮箱及丝杠等传动机构选型需要计算的内容和方法。

电机轴上的转矩平衡方程为:

式中：Tm是需要由电机提供来完成运动的转矩; Jtotal是所有传动元件、电机和折算到电机轴上负载的惯量；和当察是电机轴角加速度；Tload→M是所有外加负载折算到电机轴上对电机转矩的要求。

来源于外部转矩的电机负载有摩擦转矩（Tf）、重力转矩（Tg）和加工转矩（Tprocess）（例

如，装配期间作用在机械工具上的转矩）：

当负载直接连接到电机时：

传动比、惯量折算、负载转矩。（电机的选择在书上第三章最后）

8、掌握伺服电机机械特性曲线

电子驱动闭环控制交流伺服电机的典型机械特性曲线如图3-25所示。曲线可分为两个区域：连续运行区域和断续运行区域。

连续运行区域意味着在此区域电机获得的转矩在所有速度下可长时间安全运行。断续运行区域电机可提供的转矩要大很多，但可持续时间周期非常短。

9、掌握增量式编码器、绝对值编码器、正余弦编码器的工作原理、特点及其区别、熟悉编码器选型原则及商业用编码器参数的含义。

答：增量式编码器随码盘的旋转产生一系列的脉冲。这些码盘可以安装在各种毂上,然后插入检测单元完成编码器核心的装配。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，绝对式编码器的每一个位置对应一- 个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

10、掌握通过编码器采集的位置进行速度估计的方法及原理，以及不同估计方法的优缺点？

11、掌握增量编码器四倍频原理。

如果将码盘上的每个黑色区域都看作径向线，沿着圆周从一条径向线前沿到下一条径向线前沿对应一个通道观察到波形的一个周期，如图5-5所示，在一个周期中，有四个边沿的变化。因此，如果运动控制器能够对每个边沿计数，则编码器的刻线数可以有效地乘以4。

12、理解编码器分辨率概念及其对运动控制系统性能的影响，并通过理论分析获得结论。分辨率是编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。编码器的分辨率越高说明电机的最小刻度就越小，那么电机旋转

的角位移也就越小，控制的精度也就越高。编码器的分辨率比较常用的是增量式光电编码器，它的分辨率又称为线数，比如2500线4倍频，那么它的分辨率就是2500*4=10000个脉冲。

例如，如果一编码器的刻线数是2000,每转就可以得到8000个计数值。换句话说, 这时编码器将具有360°M/8000=0. 045°/cts的分辨度。每转刻线数（LPR）或每转脉冲数是描述一增量编码器有多少刻线的术语。

13、掌握交流驱动器工作原理、驱动器电路、整流器、直流环节、逆变器、PWM调频逆变工作原理。

答：驱动器将控制器产生的弱电指令信号放大到电机运行所需要的高压/大电流等级因此，驱动器也称为功率放大器。

电机的速度和位置被检测并反馈送至控制器而检测到的电机电流信号被反馈送至驱动器。换句话说，驱动器实现电流闭环，控制器的许多功能，包括速度和位置闭环，现在都可由驱动器来实现。

驱动器电路：交流驱动器将交流电源变换成直流电源，再将直流电逆变成为电压、频率可变的三相交流电。

整流器：一个三相二极管桥式整流器电路如图6-3a所示。它将输入的三相交流电源电压转换成直流电压（带有纹波）因此，这个桥又称为整流器。二极管根据它们导通的顺序编号。直流环节：直流环节可看作一个滤波器，滤除整流器输出的直流电压中的纹波部分。直流环节的设计因驱动器的不同而不同。

逆变器：逆变器通过采用多个开关将直流输入转变成交流输出。

PWM调频逆变：改变参考信号的频率和幅值，就可以控制输出到电机端的线电压的频率和幅值。PWM信号的频率范围通常为2?30kHz。PWM信号的占空比决定了与电机转速成比例的施加到定子端的平均电压，即电机速度随着占空比的增加而增加。

14、掌握商业用伺服电机驱动器参数设置、位置控制、速度控制、力矩控制三种控制模式原理及参数设置。

15、

16、掌握伺服驱动器位置环、速度环、电流环控制原理及功能，及伺服控制基本控制结构。

17、掌握PID控制理论，及基于PID衍生出的多种用于运动控制的控制算法，如速度前馈、加速度前馈控制等。

18、掌握PID参数含义及运动控制系统三环控制调解流程

19、掌握影响运动控制系统性能的因素及提高运动性能的方法，如刚度、谐振、柔性、响应性、噪声、滤波器的概念、测量方法，调节优化方法。

答：响应性：响应性描述的是伺服系统对命令的反应能力；对于多数系统响应越快越好；调整时间是测量伺服系统响应性的主要方法；伺服增益越大使得伺服系统的响应越快。

刚性：刚性描述伺服系统克服扰动力矩的能力。对于多数伺服系统，刚性越大越好。由于扰动不易量化所以刚性难于测量，因此工程师靠感觉提高系统刚性。大的伺服增益可提高系统刚性。

滤波器：滤波器用于控制系统各个部分。它们存在于控制器、反馈装置以及功率变换器中，甚至在被控对象中有时也含有滤波器。滤波器的主要作用是用来减少噪声、消除混叠、使谐振衰弱。控制系统中最常见的滤波器是低通滤波器，它用来消除不同噪声源的噪声，电气互联（干扰）、分辨率限制、EMI以及反馈装置中的固有噪声。

谐振：谐振会使高增益伺服环不稳定，谐振引起的不稳定性会使闭环增益下降，环增益降低会导致控制性能下降，低增益降低了指令的反应速度，低增益降低对干扰的响应。

引起机械谐振的原因：传动机构的机械柔性（即低刚性），大负荷的负载到电机的惯量比往往使谐振问题恶化，惯量(JTotal) 就是一个伺服增益，高频时谐振会降低惯性，惯量越小伺服闭环增益越高

直接驱动消除了电机联轴器的柔性

20、掌握商业用运动控制器伺服调节方法及流程（参考倍福伺服调节视频）。