运动控制系统设计
《运动控制系统》课程设计任务书
理解运动控制系统的基本原理和组成 掌握运动控制系统的调试方法 掌握运动控制系统的优化方法
提高运动控制系统的性能和稳定性 提高运动控制系统的适应性和灵活性 提高运动控制系统的可靠性和安全性
确定运动控制系统的目标和需求
编写运动控制系统的软件代码
选择合适的运动控制算法和硬件设备
测试和调试运动控制系统
系统原理：阐述运动控制系统的基本原理和设计思路 硬件组成：详细描述运动控制系统的硬件组成和功能 软件编程：介绍运动控制系统的软件编程方法和实现过程 调试过程：描述运动控制系统的调试过程和注意事项
性能优化：优化运动控制系统 的性能，如提高响应速度、降 低能耗、提高稳定性等
基本功能：实现运动控制系统 的基本功能，如速度控制、位 置控制、力控制等
趋势
方案论证：对初步设计方案进 行论证，确保方案的可行性和
创新性
硬件选型：选择合适的传感器、控制器、执行器等硬件设备 硬件搭建：根据硬件选型结果，搭建运动控制系统的硬件平台 编写硬件电路原理图：根据硬件搭建结果，绘制硬件电路原理图 编写硬件PCB图：根据硬件电路原理图，绘制硬件PCB图，用于制作电路板
测试方法：模拟实际应用场 景进行测试
测试目的：验证系统功能是 否满足设计要求
测试内容：系统稳定性、准 确性、响应速度等
优化方法：根据测试结果进 行系统优化，提高系统性能
制定设计方案：根据设计题 目，制定初步设计方案
确定设计题目：根据课程要 求，选择合适的设计题目
文献调研：查阅相关文献，了 解相关领域的研究现状和发展
提高系统的响应速度 降低系统的误差 提高系统的稳定性
优化系统的控制算法 提高系统的抗干扰能力 优化系统的人机交互界面
软件设计：包括系统架构设 计、模块划分、接口设计等
运动控制系统的课程设计
运动控制系统的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解运动控制系统的基本概念、组成和分类。
2. 学生能掌握运动控制系统中常见传感器的原理和应用。
3. 学生能描述运动控制系统的执行机构工作原理及其特点。
4. 学生了解运动控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。
技能目标：1. 学生具备运用所学知识分析和解决实际运动控制问题的能力。
2. 学生能设计简单的运动控制系统，并进行仿真实验。
3. 学生能熟练使用相关软件和工具进行运动控制系统的调试与优化。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对运动控制系统相关技术的兴趣，激发学习热情。
2. 学生养成合作、探究的学习习惯，培养团队协作精神。
3. 学生认识到运动控制系统在工程实际中的应用价值，增强社会责任感。
课程性质：本课程为电子信息工程及相关专业高年级学生的专业课程，旨在帮助学生掌握运动控制系统的基本原理、设计方法和实际应用。
学生特点：学生已具备一定的电子、电气和控制系统基础，具有较强的学习能力和实践操作能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调学生的动手能力和创新能力培养。
通过本课程的学习，使学生具备运动控制系统设计、调试和应用的能力。
教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 运动控制系统概述- 运动控制系统的基本概念、组成和分类- 运动控制系统的发展及应用领域2. 运动控制系统传感器- 常见运动控制传感器的工作原理、特性及应用- 传感器的选型及接口技术3. 执行机构- 电动伺服电机、步进电机、液压气动执行机构的工作原理及特点- 执行机构的控制策略及性能分析4. 运动控制算法- PID控制算法原理及其在运动控制中的应用- 模糊控制、神经网络等其他先进控制算法介绍5. 运动控制系统设计- 系统建模、控制器设计及仿真- 硬件在环（HIL）仿真与实验- 运动控制系统调试与优化6. 运动控制系统实例分析- 分析典型运动控制系统的设计过程及解决方案- 案例教学，培养学生的实际操作能力教学内容安排与进度：- 第1周：运动控制系统概述- 第2-3周：运动控制系统传感器- 第4-5周：执行机构- 第6-7周：运动控制算法- 第8-9周：运动控制系统设计- 第10周：运动控制系统实例分析教材章节关联：本课程教学内容与教材中第3章“运动控制系统”相关内容相衔接，涵盖第3章中的3.1-3.5节。
运动控制系统课程设计-上海交通大学自动化系
运动控制系统课程设计实验指导书上海交通大学自动化教学实验室第一章 硬件介绍及注意事项一、实验设备的基本组成运动控制系统主要组成如下：1.FX3U PLC；2.触摸屏；2. 变频器；3. 交流异步电动机和编码器；4. 直流电机和变阻器。
伺服与变频调速控制系统实验装置布置图 如下所示：由PLC、触摸屏、变频器、交流电机、直流电机和电阻组成的运动控制系统，其中PLC为控制核心，负责采集交流电机转速并控制变频器输出；触摸屏用于显示系统状态和接收操作指令；交流电机为被控对象，直流电机和电阻组成可调负载。
二、硬件连接1、通过USB接口将计算机与PLC连接。
2、接好实验箱上的连线或被控对象板的其他连线。
3、检查是否有错误，然后开机实验。
三、 对参加实验学生的要求：1、仔细阅读实验指导书，复习与实验相关的理论知识，明确每次实验目的，了解实验内容和方法。
2、按实验指导书中的要求进行接线和操作，经检查和实验老师同意后再通电。
3、在实验中注意观察，记录有关的数据和图像，并由指导老师复查后才能结束实验。
4、实验后应断电，整理实验台，恢复到实验前的状况。
5、认真填写实验报告，按规定格式作出图标、曲线、并分析实验结果。
6、爱护实验设备，遵守实验室规章制度。
伺服与变频调速控制系统实验装置设备布置图第二章 交流变频调速系统课程设计1）本课程设计主要设备1、FX3U PLC；触摸屏。
2、变频器。
3、交流异步电动机和编码器。
4、直流电机和变阻器。
2）本课程设计的性质和任务本课程设计是自动化专业本科生的综合教学实践课。
该课程设计涉及到自动控制原理、电力拖动自动控制系统、数字程序控制系统、微机控制技术等课程的内容。
本课程设计的基本任务是：1. 熟悉和掌握开环交流变频调速系统的基本结构、工作原理和机械特性，以及对该系统的硬件设备选型和配置，编制和调试用户程序。
2. 熟悉和掌握转速单闭环有静差交流变频调速系统的基本结构、工作原理和机械特性，编制和调试用户程序。
XY运动工作台控制系统设计
XY运动工作台控制系统设计一、引言二、系统结构三、硬件设计（1）电脑控制器：选择一台性能稳定、接口丰富的电脑作为控制器。
通过串口、USB接口或者以太网接口与运动控制板通信。
（2）运动控制板：运动控制板可以采用现成的通用运动控制板，也可以根据具体需求进行设计制作。
运动控制板负责接收电脑控制器发送的指令，并将指令转化为电机驱动所需的信号。
运动控制板可以集成位置检测传感器，用于反馈运动状态。
（3）电机驱动器：电机驱动器采用步进电机驱动器，用于控制步进电机的转动。
具体选型时要考虑电机的额定电流和工作电压，并根据步进电机的驱动方式选择对应的驱动器。
（4）步进电机：步进电机是XY运动工作台实现运动的核心部件。
步进电机具有精度高、稳定性好的特点，能够按指定的步进角度进行旋转。
具体选型时需根据需要的精度、负载和速度等要素进行选择。
四、软件设计（1）用户界面：设计一个直观、易用的用户界面，用于输入运动指令和参数设置。
用户界面可以通过编程语言或者现成的控件库来实现。
（2）运动控制算法：根据所需运动方式和精度要求，设计相应的运动控制算法。
常见的算法包括最小二乘法拟合、PID控制等。
算法设计应考虑到运动平滑、精度高、稳定性好的要求。
（3）通信协议：电脑控制器与运动控制板之间的通信协议需要定义清楚，包括指令格式、通信速率等。
常见的通信协议有UART、USB、以太网等。
五、系统性能（1）精度：XY运动工作台的精度主要由步进电机的步进角度和电机驱动器的精度决定。
根据具体需求选择合适的步进角度和驱动器。
（2）速度：XY运动工作台的速度受到步进电机的转动速度和驱动器的最大转速限制。
选择合适的步进电机和驱动器以实现所需的速度要求。
（3）稳定性：XY运动工作台的稳定性主要由电机驱动器的功率输出和控制算法的调整精度等因素决定。
在实际设计中需要对系统进行充分测试和调试，以保证稳定性。
六、总结本文介绍了XY运动工作台控制系统的设计，包括硬件设计和软件设计。
运动控制系统的建模与控制设计
运动控制系统的建模与控制设计第一章引言运动控制系统是现代工业中不可或缺的关键技术之一。
它广泛应用于机械加工、自动化生产、机器人技术等领域，对提高生产效率、降低成本、提高产品质量起着重要作用。
本文将讨论运动控制系统的建模与控制设计，以提供一个全面了解该主题的视角。
第二章运动控制系统的建模运动控制系统的建模是研究其控制性能的基础。
首先，我们需要确定系统中的各个元件，如传感器、执行器、控制器等。
然后，利用物理方程和数学模型描述它们之间的相互关系。
例如，对于一个简单的伺服电机系统，我们可以考虑电机的动力学方程、传动装置的特性以及负载的影响等。
第三章运动控制系统的控制设计运动控制系统的控制设计主要是为了实现系统的期望性能。
常见的设计方法包括经典控制方法（如PID控制器）、现代控制方法（如模糊控制、自适应控制）以及优化控制方法（如最优控制、鲁棒控制）等。
选择合适的方法要考虑系统的特点、控制要求以及设计成本等因素。
第四章运动控制系统的性能评价在控制系统设计完成后，我们需要对其性能进行评价。
常见的性能指标包括稳定性、跟踪性能、鲁棒性等。
稳定性是控制系统最基本的要求，它可以通过系统传递函数的极点位置来评估。
跟踪性能能够反映系统对于不同输入信号的响应能力。
鲁棒性则考虑了系统参数的变化对控制性能的影响。
第五章运动控制系统的应用案例运动控制系统广泛应用于各个领域。
以机械加工为例，我们可以通过控制系统来实现加工过程的精确控制和自动化操作。
在自动化生产中，运动控制系统可以帮助实现生产线的高效率运行和产品的质量保证。
此外，运动控制系统在机器人技术中也扮演着重要角色，通过对机器人的运动进行精确控制，可以实现各种复杂任务的自动化完成。
第六章运动控制系统的发展趋势随着科技的不断进步，运动控制系统也在不断发展和创新。
未来的运动控制系统将更加智能化和高效化。
例如，通过人工智能技术和大数据分析，可以实现对运动控制系统的自适应控制和优化控制。
电机运动控制系统的设计与应用
电机运动控制系统的设计与应用电机运动控制系统是一个重要的工程领域。
控制系统能够将电机的速度、位置和加速度等运动参数控制到高精度，从而使得电机运动更为稳定、精确和高效率。
本文将介绍电机运动控制系统的设计方法、应用场景以及相关技术等内容。
一、电机运动控制系统的设计方法1.系统结构设计电机运动控制系统的结构设计包括硬件结构和控制算法结构。
硬件结构包括传感器、执行器、运动控制器和通信模块等。
传感器能够采集电机位置、速度等参数，执行器能够控制电机运动。
运动控制器对电机的控制算法进行实现，通信模块实现控制指令和数据的传输。
2.控制算法设计控制算法主要包括开环控制和闭环控制。
开环控制是指在电机运动过程中，控制器输出一个基本控制命令，以固定的运动规律进行调节。
闭环控制则根据电机传感器的反馈信号进行补偿和修正，输入实时控制命令，以更加准确的运动规律进行调节。
3.系统参数调节系统参数调节是指对电机运动控制系统的参数进行优化，以达到更好的控制效果。
对于不同的电机类型和不同的应用场景，需要进行不同的参数调节。
常用参数包括控制命令的周期、传感器采样频率等。
二、电机运动控制系统的应用场景电机运动控制系统的应用场景非常广泛。
常见的应用场景包括：1. 机器人控制电机运动控制系统是机器人控制的关键技术之一。
通过控制电机的角度、速度和加速度等参数，实现机器人的移动、抓取、拖动等动作。
2. 电动汽车电机运动控制系统是电动汽车的核心技术。
通过对电机的控制，可以实现电动汽车的加速、刹车、转向等功能，提高汽车的安全性、能效和舒适性。
3. 机床控制机床控制系统需要对电机的运动精度和速度等要求非常高。
通过控制系统对电机的位置和速度进行精细调节，能够保证机床的加工精度和工作效率。
4. 飞行器控制飞行器控制系统需要对电机的控制非常精确。
动力系统、姿态控制和飞行路径的设计都需要电机运动控制系统的协作。
三、电机运动控制系统相关的技术1.传感技术传感技术是电机运动控制系统的关键技术。
运动控制系统设计与实现
运动控制系统设计与实现随着工业自动化的发展，运动控制系统在控制技术方面的应用越来越广泛。
它不仅可以提高工作效率和品质，而且可以节约人力、物力和时间。
在各种应用方面，运动控制技术已成为现代自动化的关键技术之一。
一、运动控制系统概述运动控制系统是将运动控制程序运行在工业控制器上，通过对控制器输出的运动指令的控制，实现对运动物体的控制。
运动控制系统包括控制器、驱动器、电机、模块和传感器等部件组成。
其中，控制器是整个运动控制系统的核心，它通过与人机接口和外部设备的通信，接收、处理、输出指令来实现系统的功能。
驱动器是连接电机和控制器的中间部件，它起到控制电机转速和角度的作用。
电机是运动控制系统的执行部件，它转动从而实现控制目的。
模块可以增加系统的功能，如通信模块、模拟量模块、数字量模块等。
传感器可以对控制对象采集实时数据并反馈，实现对控制对象的准确定位、速度和加速度的控制。
二、运动控制系统设计流程1.需求分析在运动控制系统的设计中，首先需要进行的是需求分析。
需要了解用户的需求、物体的运动要求、工作环境以及其他相关因素，以确定运动控制系统的基本功能与性能指标。
2.技术方案选择针对需求分析结果，可以选择适合的运动控制器、驱动器、电机、模块和传感器等部件，确定运动控制系统的技术方案。
3.硬件电路设计根据运动控制系统的技术方案，设计出硬件电路，包括一些关键电路的原理图和PCB板图等。
硬件电路设计与实现是运动控制系统设计的重要环节。
4.软件程序设计软件程序设计是运动控制系统设计的另一重要环节。
根据确定的技术方案和硬件电路设计，编写程序源代码，通过编译、链接等步骤生成可执行的程序。
软件程序设计是实现运动控制系统功能的关键。
5.系统调试在运动控制系统的设计和实现过程中，系统调试是必不可少的，它包括硬件调试、软件调试、系统运行调试和参数优化等过程。
系统调试过程需要对系统每项性能指标进行检测、分析和调整，以达到优化系统性能的目的。
《运动控制系统》课程设计任务书.
《运动控制系统》课程设计任务书一、设计目的与任务课程设计的主要目的是通过设计某直流电机调速系统或交流电机的调速系统或者应用交直流电机的调速的控制系统的设计实践，了解一般电力拖动与控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。
通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。
电力拖动与控制系统设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。
课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。
二、教学内容及基本要求在接到设计任务书后，按原理设计和工艺设计两方面进行。
1．原理图设计的步骤1)根据要求拟定设计任务。
2)根据电力拖动与控制系统的设计要求设计主电路。
3)根据主电路的控制要求设计控制回路4)要考虑保护环节，如过电压、过电流等的保护。
5)总体检查、修改、补充及完善。
主要内容包括：6)进行必要的参数计算和设计必要的软件控制流程。
7)正确、合理地选择各电器元器件，按规定格式编制元件明细表。
2．工艺设计步骤1)根据电力拖动与控制系统的任务书的设计要求，或者根据运用电力拖动调速等的设计控制对象及工艺的要求，进行分析。
2)选择合适的设计方案，论证设计方案的合理性。
3)根据设计方案设计合适的电力拖动与控制系统的或运用电力拖动调速的控制系统的主电路和控制电路，并画出相应比较相尽得电路图。
4)进行相应的参数进算，包括电子元器件的参数的计算与选取。
5）软件设计至少要包含比较完整的软件设计流程图。
要求学生能独立完成课程设计内容。
达到本科毕业生应具有的基本设计能力。
三、课程教学的特色说明要求学生掌握一定的理论基础知识，同时具备一定的实践设计技能，并且能够电力拖动与控制系统课程中讲授的内容结合实际情况进行系统设计以及编程。
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伺服电机的三环控制
❖ 伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是
3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环
就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进
行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相
的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID
调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定
电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在
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PLC –结构
❖ PLC 分为一体式和模块式两种结构。但它们的组 成是相同的，都有CPU、I/O、内存、电源等。
❖ 无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型 结构，其I/O 能力可按用户需要进行扩展与组合。
❖ 一般一体式在微小型PLC 中采用，其CPU 板、 I/O 板、电源板等集成在一个模块中，目的是降低
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❖ 转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入 或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩 的大小。
❖ 位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉 冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数 来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式 直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对 速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定 位装置。来自11PLC应用
❖ PLC 国内市场目前主要有三大流派，占中 国市场份额90％以上：
美国：ROCKWELL、GE；欧洲：西门 子、施耐德；日本：三菱、OMRON。
❖ 在大中型PLC 市场，西门子占据优势，其 次是施耐德、ROCKWELL、GE，日系品 牌竞争力较弱；
❖ 在微小型PLC 市场，三菱、OMRON、西
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PLC –定义
❖ 国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC 的规定：可编程 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境 下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部 存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制 各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设 备都应按易与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功 能的原则设计。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面 广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
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❖ 第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器 和电机编码器间构建也可以在外部控制器和 电机编码器或最终负载间构建，要根据实际 情况来定。由于位置控制环内部输出就是速 度环的设定，位置控制模式下系统进行了所 有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动 态响应速度也最慢。
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伺服电机选型问题
门子占据了绝大多数份额，其品牌份额较
少。
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工作原理
❖ PLC 是按循环扫描方式运行的。在PLC 出厂 时，只有系统软件，用户必须根据工艺要求 编写自己的用户程序，才能实现控制。当 PLC 处于运行状态时，系统顺序、循环地执 行。
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PLC四种任务
➢ 执行用户程序：系统顺序执行用户程序的指令序 列，从第一条主程序指令开始，逐一执行用户程 序的指令序列，直到执行完主程序结束指令为止。
成本，满足用户经济实用的要求，它通过扩展电 缆连接扩展模块。
❖ 中大型PLC 对性能、容量、网络、I/O 能力、可
靠性等要求很高，一般采用模块式，电源、CPU、
I/O 都单独成模块，插在底板或机架上，构成一个
整体系统。
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PLC –结构
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❖ “PC+运动控制器”结构有何优点？
❖ 4倍频输入增量式编码器信号，其中编码器 3000线，转速3000r/min，那么控制器编码器 信号接口输入信号频率至少为多少？
❖ PLC？PCC？PAC?
❖ GT-400-SV四轴伺服运动控制器特点及控制 轴运动控制方式。
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❖ 速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以 进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环 PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电 机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以 做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置 信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速， 位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供 了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误 差，增加整个系统的定位精度。
运动控制系统
哈尔滨理工大学自动化学院 主讲教师：许家忠
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1
运动控制系统中 的控制器
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❖ PLC
分类
❖ PC+运动控制器 开放式结构 ➢ 固高 PMAC TRIO
❖ 专用控制器
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3
PLC –定义
❖ PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微 电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技 术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来 取代继电器执行逻辑、记时、计数等顺序控制功 能，建立柔性的程控系统。
➢ 通讯任务：与编程软件、上位组态软件、触摸屏 等通讯时，响应下达的通讯命令。
➢ 内务处理：处理各种系统内务，如刷新面板指示 灯，更新软件计时器和计数器值、刷新特殊中间 继电器和特殊数据寄存器。
➢ I/O 刷新：包括输出刷新阶段和输入刷新阶段。输 出刷新阶段是根据Y 元件的值（ON/OFF），接通 或断开对应的硬件输出端口。输入刷新阶段是将 硬件输入端口的接通或精断选课开件 状态，转换为对应的X 14 元件值（ON/OFF）。
❖ 在选择好机械传动方案以后，就必须对伺服电机的 型号和大小进行选择和确认。
❖ （1）选型条件：一般情况下，选择伺服电机需满 足下列情况：
❖ 1.电机最大转速＞系统所需之最高移动转速。 ❖ 2.电机的转子惯量与负载惯量相匹配。
3.连续负载工作扭矩≦电机额定扭矩 4.马达最大输出扭矩＞系统所需最大扭矩（加速 时扭力） ❖ （2）选型计算： ❖ 1. 惯量匹配计算（JL/JM） ❖ 2. 回转速度计算（负载端转速，马达端转速） 负载扭矩计算（连续负载精选工课件作扭矩，加速时扭矩） 24
转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最
快。
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❖ 第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信 号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出 直接就是电流环的设定，所以速度环控制时 就包含了速度环和电流环，换句话说任何模 式都必须使用电流环，电流环是控制的根本， 在速度和位置控制的同时系统实际也在进行 电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的 相应控制。