工业控制领域的核心之一运动控制系统

运动控制是工业控制领域的核心之一,在焊接、抛光、包装、装配等工业场景中发挥着巨大作用。 运动控制较早起源于电机控制。 电机控制的任务是控制单个电机的扭矩、速度、位置等参数,使电机完成指定的动作。 运动控制在电机控制的基础上实现对多个电机的控制,控制系统自动协调多个电机完成指定的运动。 复杂精密运动控制系统的应用不仅大大降低了生产成本,而且减少了加工过程中误操作的发生,提高了产品质量。 如今,工业生产自动化技术迅速发展,各种运动控制系统广泛应用于物流行业和大型装配生产线。

例如,经常出现在我们视野中的机械臂,就是辅助工业生产的运动控制系统的关键部分。 目前,世界上最先进的机械臂有7个无齿轮关节,每个电机驱动一个关节运动。 当机械臂正常运行时,运动控制系统同时协调七个电机,因此机械臂可以轻松抓取空间中任何位置的物体。 不仅如此,它还可以执行其他复杂的功能,甚至可以帮助人们清洁或演奏乐器。

前几年在网络上火爆的扫地机器人就是运动控制的缩影。 当扫地机器人规划好运动路线后,运动控制系统将驱动电机执行不同的动作,让扫地机器人高效地完成任务。 在工厂中,机械臂广泛应用于装配生产线。 在汽车生产线上,机械臂可以轻松举起数十甚至数百公斤的零件,完成焊接和装配。 我们可以看到,运动控制系统不仅应用于工业领域,也应用于我们的日常生活中。

要了解运动控制系统,需要重点关注的是运动命令的执行者——电机。 运动控制系统中使用的电机大部分是步进电机和伺服电机。 下面对两种类型的电机进行简单介绍。

1. 步进电机

步进电机可以将输入脉冲信号转换为角位移。 步进电机正常工作时,电机的速度、位置、加减速度仅取决于脉冲信号的频率和数量,不受负载变化的影响。 影响。 当步进电机驱动器接收到脉冲信号时,驱动步进电机按设定方向旋转固定角度。 它被称为“步距角”,它的旋转是一步步进行的,每一步转动一个步距角。 这就是步进电机名称的由来。

伺服电机将接收到的电信号转换成电机轴上的角位移输出。 伺服电机驱动器控制三相电形成电磁场,转子在磁场作用下旋转。 伺服电机自带编码器将信号反馈给驱动器,驱动器将反馈值与目标值进行比较,调整转子旋转角度。 那么伺服电机和步进电机有什么区别呢?

1、控制方式不同

步进电机采用开环控制,伺服电机采用闭环控制。 两种控制方法的区别在于闭环控制将目标值与实际值进行比较并调整电机位置。 相比较而言,伺服电机的控制精度优于步进电机。

2、控制精度不同

步进电机的相数越多,其精度越高。 两相电机成本低,但低速时振动较大,高速时扭矩下降很快。 5相电机振动小,高速性能好。 它们比两相电机快 30~50%,甚至可以在某些情况下使用。 取代伺服电机。 伺服电机带有自己的编码器。 编码器的刻度越多,精度越高。 一般来说,伺服电机的精度相当于步距角为0.036度的步进电机。 当然,目前还没有步距角这么小的步进电机。 一般步进电机的步距角为1.8。 以上只是一个例子。 ,可以看出,在实现高精度运动控制时,伺服电机的性能远远超过步进电机。

3、低频特性不同

与伺服电机不同,步进电机会采用阻尼技术或细分技术来克服低速时的低速振动现象。 步进电机在低速时仍然容易产生振动,而伺服电机在高速或低速时都不会振动。

4、运动表现不同

步进电机采用开环控制。 如果启动频率过高或负载过大,很容易造成丢步。 当转速太高时,容易出现超调。 伺服电机采用闭环控制。 伺服驱动器可以直接将信号反馈给电机编码器。 进行采样,内部形成速度环和位置环。 一般不会出现丢步或者超调的情况。

5、速度相应不同

步进电机从静止加速到工作速度需要数百毫秒,而伺服电机一般只需要几毫秒,可用于需要快速启动和停止的控制场合。

从上面的比较来看,伺服电机在很多方面的性能都优于步进电机。 那么在选择电机型号的时候,是不是就只选择伺服电机呢? 不是这种情况。 伺服电机的价格会比步进电机高很多,而步进电机在性价比上会完全击败伺服电机。 掌握了两种电机的特点后,根据不同的需求选择合适类型的电机就显得尤为重要。

运动控制系统不仅仅由电机和驱动器组成。 比它们更重要的是控制和协调多个电机运动的控制方案或算法。 例如,有这样一个运动系统。 由两个电机驱动的转盘被薄膜包裹。 以实现薄膜可以从一个转盘展开,然后以设定的收膜速度复卷至另一转盘而不破裂。 一个转盘。 在薄膜收卷过程中,两个转盘的收卷直径会不断变化。 为了保证薄膜不断裂并满足规定的薄膜收卷速度,需要连续调节两个电机的转速。 这就需要利用PID算法进行闭环控制。 设被控对象的反馈值:张力影响电机的速度。 这样,依靠伺服电机的快速响应性能,张力过大时减速,张力过小时加速。 不断调整,使薄膜的张力和收卷速度满足要求。

6自由度甚至7自由度机械臂控制系统中不仅采用了PID算法,还采用了运动差值补偿算法,以保证机械臂运动到指定位置。 运动控制系统解决方案的质量决定了系统是否安全、可靠、高效。 拥有优秀的解决方案设计能力将使我们更具竞争力。