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运动控制系统的组成

运动控制系统的组成

    按照伺服机构的能源供给方式来划分,运动控制系统可以分为电动控制系统、气动控制系统和液压控制系统三种。其中,液压伺服机构和气动伺服机构适用于要求防爆且输出力矩较大,控制精度要求较低的场合。近年来,随着大功率力矩电机的出现,电动伺服机构的应用范围得到了进一步的拓展。

 

 

    按照被控制量的性质来划分,运动控制系统可以分为位置控制系统、速度控制系统、加速度控制系统、同步控制系统、力矩控制系统等类型。

 

    位置控制是将负载从某一确定的空间位置按照一定的轨迹移动到另一空间的位置,例如数控机床、搬运机械手和工业机器人。

 

    速度控制和加速度控制是使负载按照某一确定的速度曲线进行运动,例如电梯通过速度和加速度调节实现平稳升降和平层。很多速度控制系统的控制目标也包括位置,例如电梯控制系统,因此,速度控制在很多情况下是与位置控制等相互配合来工作的。

 

    力矩控制系统是通过转矩的反馈来使输出转矩保持恒定或按某一规律变化,应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中,例如饶线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

 

    典型的运动控制系统如下图所示:

 

典型的运动控制系统结构图

 

    根据伺服机构和机械装置运行情况是否反馈至控制器,运动控制系统又可以分为开环运动控制、半闭环运动控制和全闭环运动控制。

 

    开环运动控制的一个典型案例是步进电动机控制的工作台移动,如下图所示。在开环运动控制系统中,执行机构(步进电动机)的运动目标指令和执行过程是确定的,但实际执行结果与指令之间是否存在偏差无法确定。

 

开环运动控制系统结构图

 

    半闭环运动控制的一个典型案例是伺服电动机控制的工作台移动,如下图所示。在半闭环运动控制系统中,执行机构(伺服电动机)的在执行运动目标指令过程中,会将本身的速度信息和位置信息反馈给控制器,控制器在收到反馈信号后可以通过PID等算法消除执行机构实际运动结果与目标指令之间的偏差。

 

 

半闭环运动控制系统结构图

 

    在半闭环运动控制系统中,反馈信号来自执行机构(伺服电机),而不是实际的生产机械。因此,采用半闭环控制系统时,由实际的生产机械造成的运动结果与目标之间的误差无法消除。为了改善这种情况,有些控制精度要求高的场合会采用全闭环运动控制系统,在实际生产机械上再增加反馈信号输出装置并反馈给控制器,控制器根据实际运动过程与目标之间的偏差进行修正处理,提高控制精度。全闭环运动控制系统的结构如下图所示。

全闭环运动控制系统结构图

 

    在运动控制系统中,用户所开发的应用软件便是应用程序中的特定部分。应用软件定义了运动配置文件,以及特定事件触发并影响配置文件的方式。应用软件由好几个可选的层次构成。通常来说都包含一个用户界面程序,用以实现交互式操作。很多运动控制应用都包含应用层,实现警报处理和数据库连接性(连接到一个SCADA系统)。它们还通常包含由运动控制器执行的运动控制指令。运动控制器的制造商提供了应用软件的开发环境。

 

    根据上述内容,运动控制器创建运动配置文件。根据这些配置文件,控制器将信号(通常是±10 V,或者步进信号与方向信号)通过放大器或者电动机驱动传到电动机。放大器的任务就是从控制器接收信号,然后将它们变成可以驱动电动机转动的信号。

 

    随着电动机运转,反馈设备——通常是位置传感器——会将位置信息反向传递至控制器,构成闭环控制环。运动控制器通过位置传感器获取电动机的位置信息,从而推算出电动机的移动速度。有些应用中需要有多个反馈设备,以保证该电动机所驱动的机械系统能够正确运行。虽然反馈设备提供了位置信息,但有时还需要向控制器传递一些特殊的反馈信息,譬如压力传感器或者震动传感器的数据。