>#.net 运动控制的学习 [TOC] 什么是运动控制 ------------ tn2>简单来讲：机器“听懂你的话”然后“动起来”，并且按你的要求“动得准、动得好”。比如说，你有个机器人手臂，要让它从A点拿个东西放到B点，这个过程就叫运动控制。你得告诉它“从哪里开始动”，“怎么动”，“动到哪停”，“速度要多快”，这些统统算在运动控制里。 什么是运动控制接口板(PLC) ------------ tn2>就是一个“中间人”，负责在你的控制器（比如PLC或者电脑）和实际的机械设备（比如电机、机器人）之间搭桥，让它们能互相听懂对方的话。 ### 运动控制接口板是干啥的？ tn2>它的主要任务是接收指令、翻译指令，然后让设备按指令动起来。 接收指令：比如你用C#编程告诉它“让这个电机转5圈”。 翻译指令：它会把你的指令转成机械能懂的信号（比如脉冲信号）。 发出指令：然后传给机械，让它动起来。 ### 为什么叫接口板？ tn2>因为它就是起“接口”的作用，连接PLC（控制大脑）和实际的机械设备（手脚）。 ### 跟PLC有什么关系？ tn2>PLC本身是一个“控制大脑”，负责处理逻辑，比如什么时候启动，速度多少，但它不直接控制运动设备（比如伺服电机）。所以，就需要运动控制接口板来“传话”。 ### 什么是电机驱动单元? tn2>电机驱动单元，用大白话来说，就是控制电机的“电源加指挥官”。它的主要作用是给电机供电，同时告诉电机怎么动，比如“转快点”“慢下来”或者“换方向”。 ### 什么是步进器电机 tn2>就是一种“走一步算一步”的电机。它不像普通电机那样一直转，而是按照你的指令，一步一步地走，每一步都很精确。<br/> 优点： 精度高：每一步都固定，不容易走偏。 无需反馈：大多数情况下不需要用传感器来监控位置，简单可靠。 易控制：只要控制脉冲信号就行，特别适合初学者。<br/> 缺点： 效率低：长时间运行容易发热，效率不如普通电机。 力矩下降：速度越快，输出的力就越小。 噪音大：由于“一步一停”的动作特点，运行时会有噪音和震动。 ### 什么是步进角？ tn2>步进电机是“一步一步走”的，每走一步就停一下。它不会像普通电机那样连续转动，而是每次按照固定的角度转动一次，这个固定的角度就叫步进角。 比如： 如果步进角是1.8度，那电机每收到一个脉冲信号，就会转1.8度。 如果步进角是0.9度，那每次会转得更精细一些，但需要更多的脉冲才能转完整一圈。 ### 什么是转速？ tn2>就是电机或者其他旋转的东西“转得有多快”，通常用每分钟转了多少圈来表示，单位是 RPM（Revolutions Per Minute），意思就是“每分钟转几圈”。  ### 什么是失步？ tn2>失步，就是步进电机“没跟上指令”的情况，简单说就是“走丢了一步”。 控制器告诉它“转一步”，但它因为某种原因没转或者转得不对，就叫失步。 什么是伺服电机？ ------------ tn2>伺服电机，用大白话来说，就是一种“更聪明、更听话”的电机。它不仅能像普通电机那样转动，还能精准控制转速、位置和力矩，而且知道自己“转到了哪儿”或者“用多大力”，所以经常用在需要高精度控制的场景。 ### 伺服电机的核心特征 tn2>精确控制：它能严格按照你的要求转到某个位置，停在那里，误差非常小，甚至可以精确到微米级。比如，让它转到“90.5度”，它就能准确停在那里，不会多转或少转。<br/> 闭环控制：它有“眼睛”（传感器或编码器）来实时监控自己的动作。如果它发现“自己走偏了”，会立刻调整回来，确保按你的指令完成任务。就像司机开车，有一面镜子随时看路，不会跑偏。<br/> 强大的动态性能：伺服电机可以快速启动、停止和反转，反应特别灵敏。比如，在几毫秒内就能从静止加速到指定转速。<br/> 稳定性好：它能在负载变化时保持稳定的速度和位置，不会像普通电机那样因为负载变化“转快或转慢”。<br/> 高效率：能量损耗低，尤其在需要频繁加减速的场景下，比普通电机更节能。 |特性 |伺服电机 |普通电机| | ------------ | ------------ | |控制精度| 高，误差可以小到0.01度| 低，不能精准控制位置和角度| |响应速度| 快，启动和停止迅速 |慢，惯性大，反应迟缓| |是否有反馈| 有（闭环控制），可以自我纠正 |没有反馈，不能修正误差| |稳定性| 负载变化时能保持稳定 |负载变化时转速容易波动| |应用场景| 高精度要求的机械，如机器人、机床 |简单场景，如风机、水泵| 编码器输入 ------------ tn2>设备（比如控制器、驱动器或者PLC）用来接收编码器发出的信号的接口。 简单来说，就是控制系统通过这个“耳朵”听编码器告诉它“转了多少步、速度多快、现在在哪个位置”等信息。 ### 编码器输入的作用 tn2>编码器输入的主要功能是接收编码器反馈的信息，并将这些信息用于控制和监测设备的动作，比如： 控制电机的位置：知道电机转到了哪儿。 调节电机的速度：确保转速符合要求。 修正动作的误差：如果偏离了目标位置，可以通过反馈信号重新调整。 ### 编码器输入是怎么工作的？ tn2>编码器发送信号：编码器会根据运动状态产生一系列脉冲信号或电压信号，表示当前的位置或速度。 设备接收信号：这些信号通过编码器输入端口进入控制系统，比如PLC或驱动器。 分析信号：系统根据接收到的信号计算出实际的位置和速度。如果和设定值有差异，控制器会调整设备的运行状态。 ### 信号类型（输入的内容） | 信号类型 | 描述 | | ------------ | ------------ | | `脉冲信号` | 每个脉冲对应编码器旋转的一个固定角度，控制器通过统计脉冲数量来计算转动的总角度或位置。举例：1个脉冲 = 转动0.1度，1000个脉冲 = 转动100度。 | | `方向信号` | 编码器会输出一个方向信号，告诉控制器旋转是顺时针还是逆时针。 | | `模拟信号` | 某些编码器会输出电压或电流，表示当前的位置或速度。 | | `正交信号（A/B信号）` | 两路信号相位差90度，控制器可以用它们判断运动的方向和步数。 | | `绝对位置信号` | 表示编码器的具体位置，而不是增量。 | ### 举个例子 tn2>假设你有一个伺服电机，安装了一个编码器，编码器通过“编码器输入”把反馈信息传给驱动器： 编码器输出信号：“我已经转了200个脉冲，方向是顺时针。” 驱动器通过“编码器输入”接收到这个信号后，计算出电机当前的位置是90度。 如果驱动器发现目标位置是100度，就会继续让电机转10度。 ### 主要用途 tn2>从伺服电机输出脉冲-->管理/控制位置信息。 步进电机的失步检测 脉冲输出信号/输出格式 ------------ ### 两脉冲方式(独立脉冲输出) tn2>这是输出正方向用(CW)、负正方向用(CCW)2种独立脉冲信号，进行控制的方式。CW(Clock Wise)表示顺时针旋转(右旋)，CCW(Counter Clock Wise)表示反时针方向(左旋)。 公用脉冲方式(方向信号输出:OUT(脉冲输出)、DIR(方向输出) 使用1个控制移动量和速度的脉冲信号、决定旋转方向的信号，进行控制。 ### OUT(提前脉冲输出)、DIR(滞后脉冲输出)方式 tn2>输出OUT(提前脉冲输出)信号和DIR(滞后脉冲输出)信号。当DIR与OUT相位相差+90°时，朝正方向(顺时针方向)动作(旋转)。当DIR与OUT相位相差-90°时，朝负方向(反时针方向)动作(旋转)。 ### 多轴同步、接口板间多轴同步 tn2>运动控制接口板能够对多个轴之间的同时开始/停止进行同步控制。此外，连接的同步控制线缆，多可进行16块(128个轴)的同步控制。使用8轴接口板时，还可以4轴为单位分组。 ### 限位输出 tn2>限位输出其实就是用来检测电机的停止点、减速点和原点，通过反馈信号实现高精度定位控制，防止设备过冲或超出安全范围运行，确保系统动作精准可靠。 ### +LIM / -LIM（方向限位）:+ 为顺时针方向,-为逆时针方向 tn2>想象一个火车在铁轨上： `+LIM` 就像轨道尽头的正方向挡板，防止火车继续往前开。 `-LIM` 就像轨道尽头的负方向挡板，防止火车往回倒出轨。<br/> +LIM（正限位）： 限制电机在顺时针方向（+方向）的最大运行位置。 当电机运动到这个点时，会触发信号告诉控制系统：“不能再往顺时针转了，已经到头了。”<br/> -LIM（负限位）： 限制电机在逆时针方向（-方向）的最大运行位置。 当电机运动到这个点时，会触发信号告诉控制系统：“不能再往逆时针转了，已经到头了。” ### +SD / -SD（方向减速） tn2>就是在电机接近运动范围的某个方向极限时，提前触发信号让电机慢下来（减速），以防止过冲或撞到限位点。 ORG(原点限位) ------------ tn2>就是设备的**“家”或者“起点”**，也就是电机或机械设备的参考位置。这个位置通常是整个运动范围的初始点，所有的定位、运动都是以这个点为基准开始的。 ### ORG（原点限位）的作用 tn2>1.归零点：ORG是电机或者机械设备的“归零点”，用于校准和初始化设备的位置。 ————比如，数控机床开机时，需要找到“原点”，让设备知道刀具的初始位置。 2.定位基准：ORG是所有运动和定位的基准点。设备以原点为参考来计算后续的绝对位置。 3.复位操作：在发生故障或重启时，通过返回原点（回原点操作）来让设备恢复到一个已知的状态，避免偏移或误差累积。 PTP动作 ------------ tn2>PTP动作（Point-to-Point Motion），用简单来说，就是让电机或者机械臂从一个点移动到另一个点，而不在意它怎么走过去，只要到达目标点就行。这种运动模式追求快速和高效，而不是轨迹的精确控制。 JOG动作 ------------ tn2>JOG动作（Jogging Motion），用简单话来说，就是点动操作，让电机或者机械设备以连续、低速、可控的方式移动。通常用在调试、测试或设备微调时，通过按住按钮或者发指令，设备会持续移动，松开后就立即停下。 运动控制分类 ------------ tn2>根据有无反馈和如何反馈可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统三类。 ### 开环控制系统 tn2>根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制系统没有自动纠偏的能力。<br/> 举例： a、你老板叫你办事就不管了，也不管你办了没有，你也不需要反馈是否办了，例如步进电机，你发了多少脉冲他走多少路，到底走到没有走到谁也不知道。<br/> b、我打你十下，但是你只知道疼，我没打你，你就不疼，但你不知道谁打的; ### 半闭环控制系统 tn2>如果系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接地取自中间的测量元件，例如在控制机床的进给伺服系统中，若将位置检测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量工作台的实际位移，则这种系统称为半闭环控制系统。<br/> a、你老板叫你办事，你去办了，办了好不好告诉你老板，然后到底办好没办好老板不会去查验，就是基本的伺服电机，电机可以靠编码器来返回位置，但到底机械结构是不是打滑了没有实际走到位就不管了。 半闭环控制系统可以获得比开环系统更高的控制精度，但比闭环系统要低;与闭环系统相比，它易于实现系统的稳定。目前大多数一般精度的数控机床都采用这种半闭环控制进给伺服系统，以降低制造成本。 ### 闭环控制系统 tn2>输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统，其就是应用反馈系统来减少偏差，控制精度高。但因为其一直存在着纠偏，很容易引起振荡，是系统不稳定，而无法稳定工作。所以在闭环控制系统中精度和稳定性之间总会存在着矛盾，必须合理的解决。<br/> a、你老板叫你办事，你去办了，将结果告诉了老板娘，然后老板娘觉得你做事不够深刻，不舒服，然后叫老板告诉你继续深入，你就继续办，然后再告诉老板娘，直到老板娘满意，这就是永久编码器的伺服电机，是否走到位连续伺服编码器来测量，没有走到位通知伺服驱动器继续走，直到走到位位置。<br/> b、我打你十下，你知道疼，同时还知道我打你十下，反过来还和我说我打了你十下 运动控制卡 ------------  tn2>运动控制器是运动控制系统的核心部件，负责产生运动路径的控制指令，用于设备的逻辑控制，将运动参数分配给需要运动的轴，并对被控对象的外部环境变化及时做出响应。 通用运动控制器通常都提供一系列运动规划方法，基于对冲击、加速度和速度等这些可影响动态轨迹精度的量值加以限制，提供对运动控制过程的运动参数的设置和运动相关的指令，使其按预先规定的运动参数和规定的轨迹完成相应的动作。 运动控制器通过一定的通信手段将控制信号或命令发送给驱动器，驱动器为执行机构(通常为电机)提供转动能源动力，运动控制器接收并且分析反馈信号，得到跟随误差后，根据控制器的算法，产生减小误差的控制信号，从而提高了运动控制的精度。典型的控制器有下几类:PLC可编程逻辑控制器、专用的运动控制器。 ### 驱动器 tn2>驱动器是运动控制系统的转换装置，用于将来自运动控制器的控制信号转换为执行机构的运动，典型的驱动器如变频器、步进驱动器、伺服驱动器。 控制器产生的命令信号是微小信号，通过驱动器放大这些信号以满足电机的工作需求，故伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服控制器”或“伺服放大器”，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。 伺服驱动器一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度传动系统的控制。尤其是应用于交流永磁同步电机控制的伺服驱动器已经成为国内广泛采用的产品。伺服驱动器的调速范围宽、精度高、可靠性高，还提供多种参数供用户调节。 步进驱动器是将接收到的运动指令转换为步进电机的角位移(对应步距角)的执行机构。通常情况下接收对应位移的脉冲信号时，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，按设定的方向转动一个步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。外部控制器可以通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，从而达到调速和定位的目的。步进系统被广泛应用于雕刻机、电脑绣花机、数控机床、包装机械、点胶机、切料送料系统、测量仪器等设备上。  ### 执行机构 tn2>执行机构是运动控制系统中的控制对象，用于将驱动信号转换为位移、旋转等，执行机构通过一些机械机构连接，实现控制对象的运动。常见的执行机构如各种类型的电机、液压、启动设备。 常见的传动机构有:滚珠丝杆、齿轮传动、齿条传动、带传动、丝杆传动，链传动、液压传动、气压传动等。 电机主要分为步进电机和伺服电机，二者的控制方式不同，步进电机通过控制脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角。伺服电机通过控制定子电角度的旋转，带动转子的旋转，并经过编码器的反馈构成闭环，从定位到目标角度。伺服电机运行平稳，还具有较强的过载能力，各方面性能优于步进电机。  ### 3.4 反馈装置 tn2>反馈装置是运动控制系统中进行检测并处理反馈的装置，主要反馈的是负载的位置和速度，例如编码器、光栅尺等，编码器是一种非常常见的反馈装置。伺服电机一般自带编码器，如图1.2-4左侧模块，编码器用于反馈电机的实际运行情况，例如电机的当前位置和速度。