交流伺服运动 控制系统 主讲：曾理湛、陈学东 数字制造装备与技术国家重点实验室

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1 交流伺服运动 控制系统 主讲：曾理湛、陈学东 数字制造装备与技术国家重点实验室
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2 本课程的任务： 了解交流伺服运动控制系统的检测技术及选型 掌握永磁同步电动机交流伺服运动控制系统的建模、控制系统设计及仿真方法 了解多种现代交流伺服运动控制技术 了解交流伺服运动控制系统的实际应用

3 1 绪论 1.1 什么是“交流伺服运动控制” 1.2 交流伺服运动控制系统的发展 1.3 交流伺服运动控制系统的组成及特点
1.1 什么是“交流伺服运动控制” 1.2 交流伺服运动控制系统的发展 1.3 交流伺服运动控制系统的组成及特点 1.4 现代交流伺服运动控制技术 1.5 课程特点、内容安排及学习方法

4 1.1 什么是“交流伺服运动控制” 1、 电机及运动控制系统 (1) 电机：机电能量变换的主要装置 直流、交流 旋转、直线、多自由度 …
1.1 什么是“交流伺服运动控制” 1、 电机及运动控制系统 (1) 电机：机电能量变换的主要装置 直流、交流 旋转、直线、多自由度 … 三相交流鼠笼式异步电机的定子和转子 直流电动机

5 过程控制 (Process control)
(2) 运动控制系统 自动控制系统 （按应用分）： 运动控制 (Motion control) 过程控制 (Process control) 主要区别是被控量及控制目标不同，“运动控制”以机械运动的驱动设备---电机为控制对象，解决“电能机械能”中的控制问题，实现运动机械的运动要求 例如： 过程控制: 啤酒发酵过程，化工提炼过程，锅炉控制 运动控制:（续页）

6 PCB生产线：贴焊、打孔、放置生产线运动控制 半导体制造装备：光刻机、芯片封装机 机械加工装备：各型数控机床
(2) 运动控制系统 各种制造装备及生产线: PCB生产线：贴焊、打孔、放置生产线运动控制 半导体制造装备：光刻机、芯片封装机 机械加工装备：各型数控机床 主轴电机 带制动器伺服电机 伺服电机 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机 芯片光刻机 数控机床

7 (2) 运动控制系统 机器人各个关节的伺服控制 ASIMO 2003: 行走速度3.2km /h 2004: 舞蹈机器人（近藤） 2005: 自行车自主运行 2010：仿生龟 空间机器车：旅居者（1997） 军事装备：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制 民用及医疗：空调、洗衣机、CT机 现代交通：电动汽车、电动自行车、磁悬浮

8 (3) 运动控制系统分类 按电机分： 直流传动系统 交流传动系统 按被控量分： 以速度为控制量：调速系统 以位置为控制量：位置随动系统（伺服系统） 按控制器的类型分: 模拟控制系统 数字控制系统 按控制原理分：PID控制、模糊控制… 按闭环数分：单环、双环、多环系统 可交叉：如数字式双闭环直流调速系统

9 简而言之：交流电机驱动的位置随动（伺服）运动控制
2 “交流伺服运动控制”定义 交流伺服运动控制是以电力电子为基础、以交流电机为控制对象、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计为手段,并与检测技术和数据通信技术相结合,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制（速度控制、转矩）的控制。 简而言之：交流电机驱动的位置随动（伺服）运动控制

10 3 交流伺服运动控制技术的重要性 制造业是国民经济持续增长的发动机、国家安全的重要保障及国家综合实力的主要体现 交流伺服运动控制是运动控制技术的发展趋势，是数字制造装备的核心功能部件，应用广泛 高性能交流伺服运动控制系统的主要制造商： 美国:GE, Rockwell, Emerson, Ansolder,… 欧洲:Siemens, ABB, CT (Emerson), … 日本: Toshiba, Mitsubishi, Hitachi, Fuji, …

11 1.2 交流伺服运动控制的发展 19世纪中先后诞生了直流传动和交流传动。 在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局： 交流不调速 80%
1.2 交流伺服运动控制的发展 19世纪中先后诞生了直流传动和交流传动。 在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局： 交流不调速 80% 直流调速 20% 在20世纪80-90年代形成新的格局： 交流调速 80% 直流调速 10% 交流不调速 10%

12 1.2 交流伺服运动控制的发展 1 长期以来，电机调速以直流电机为主 2 直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器
1.2 交流伺服运动控制的发展 1 长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统，而交流电动机主要用于不需要变速的电力传动系统中，因为：（1）直流电动机易于控制，改变电机的输入电压或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 （2）交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不易控制 。 2 直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器 （1）换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容许值。 （2）由于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换向器的直径一般都做的比较大，电机的转动惯量就大。 （3）换向器必须定期停机检修，运行中也要经常注意观察换向器的火花情况。

13 1.2 交流伺服运动控制的发展 3 交流电机的优越性 交流电动机，特别是笼式异步电动机，拥有结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常维修等特点，使其得到了十分广泛的应用。如果能控制好，它具有直流电机无法比拟的优越性。

14 电力电子技术、微电子技术、交流电机控制技术发展极大促进了交流电机伺服运动控制技术的发展和应用。
1.2 交流伺服运动控制的发展 4 交流电机调速技术的发展 （1）20世纪20年代人们就认识到了，但当时直至本世纪 50年代中期，一直几乎无法实现。 （2）20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，不仅开创了 电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制技术发 展的一个大飞跃。 （3） 20世纪70年代发展起来的矢量控制理论带交流电机 控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论上和直流 电机相当。 （4） 20世纪80年代的直接转矩控制方法，也对交流电机 控制技术发展发展起来推动作用。 电力电子技术、微电子技术、交流电机控制技术发展极大促进了交流电机伺服运动控制技术的发展和应用。

15 1.3 交流伺服运动控制的组成及基本要求 1 骨骼运动

16 功率变换部分：可控整流、直流斩波、逆变等 控制器部分：PID控制、自适应控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接转矩控制等
2 交流伺服运动控制的组成 大脑/脊椎 传出神经 效应器 肌肉/骨骼 传入神经 感受器 电机部分：交流永磁电机 功率变换部分：可控整流、直流斩波、逆变等 控制器部分：PID控制、自适应控制、模糊控制、智能控制、矢量控制、直接转矩控制等

17 2 交流伺服运动控制的组成 单轴运动 位置控制 速度控制 电流控制 电网 伺服驱动 多轴位置控制器 X-Y运动平台 指令发生器 指令 电流
2 交流伺服运动控制的组成 位置控制 速度控制 电流控制 电网 伺服驱动 多轴位置控制器 X-Y运动平台 指令发生器 指令 电流 目标位置 指令 电流 位置/速度反馈 位置/速度反馈 插补算法 位置控制 单轴运动

18 3 交流伺服运动控制系统的基本要求 1、稳定性好：系统在给定输入或干扰作用下，能快速调节到达新的或者回复到原有的平衡状态。 2、精度高：系统输出量跟随输入量的精确程度。通常在0.01mm~0.001mm之间。 3、快速响应性好：跟踪指令信号的响应快，过渡调节时间在200ms以内，上升率大。

19 1.4 现代交流伺服运动控制技术 数字化、高精度、高速度、高性能是交流伺服运动控制系统的发展方向，主要表现在：
1、利用迅速发展的电子和计算机技术，增强软件控制功能，排除模拟电路的误差及温度漂移等因素的影响，采用最优控制、自适应控制 2、开发高精度、快速检测元件 3、开发高性能伺服电机 4、控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用

20 1. 全数字交流伺服驱动技术 脉冲比较伺服系统 全数字进给伺服系统

21 全数字交流伺服驱动技术的发展过程

22 2. 直线电机驱动技术 旋转电机和直线电机结构对比

23 直线电机性能特点： 1）高速响应：取消了响应时间常数较大的机械传动件。 2）精度：取消了机械结构产生的传动间隙和误差。 3）传达刚度高：避免了中间传导环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后，同时提高了传达刚度。 4）速度快、加减速过程短：可达2~10g，滚珠丝杆0.1~0.5g。 5）行程长度不受限制。 6）噪声低。 7）效率高。

24 3. 可编程计算机控制器技术 传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序，无法满足I/O通道的高实时性要求，PCC采用分时多任务机制构筑其应用软件平台，满足了实时控制的要求。 4. 运动控制卡

25 基于工业PC机、用于各种运动控制场合的上位控制单元。采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，PC机负责人机交互和实时监控，控制卡完成运动控制的所有工作。

26 PC+PMAC运动控制卡构建的二维平台

27 PMAC 1 的标准配置 20MHz Motorola DSP 56001系列数据信号处理器 线性，圆弧， 三次轨迹计算，样条插补
8路（数模转换）16位DAC输出 16个码盘通道输入 16个通用I/O I/O扩展端口 越程极限，回原点，伺服放大器报警，使能标志信号接口 LCD和VFD显示端口 Bus and/or RS-422通信 脱机运行 G-Code 编程（可自定义） 线性，圆弧， 三次轨迹计算，样条插补 256个运动程序存储能力 64个异步PLC程序存运行 超大程序的实时下载执行功能 64位位置计数范围 位置环，速度环，电流环三环矢量控制能力 曲线加减速控制 自定义伺服算法能力 电子齿轮 先进的PID及扩展伺服算法

28 5. 网际开放式结构高性能DSP多轴运动控制系统技术
多轴运动控制系统由运动控制器与伺服驱动器组成，降低整体系统运动控制的路径误差及伺服轴的跟随误差。 DSP控制和数据通信，多轴伺服单元、IO子系统以及中央处理系统集成为独立的高性能多轴运动控制器。 多轴控制指令集合在一个中断周期内完成，克服了传统的多片单片机的并行结构的同步控制瓶颈。 DSP控制+现场可编程门阵列，可在线设置和重构，软件升级硬件。 基于TCP/IP安全通信协议，更安全可靠、传输效率更高。

29 6. 现场总线（CAN/SERCOS/…）运动控制技术
支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络。基于现场总线的网络化交流伺服体系结构的核心部分是带有现场总线接口的多轴管理器、全数字交流伺服驱动器。 SERCOS现场总线运动控制系统

30 英国trio(翠欧)多轴运动控制器 具有RS232、RS485、USB、Ethernet、CANBus、SERCOS的通讯功能和具有HostLink、DeviceNet、ModBus通讯协议的多轴数字运动控制器，最多可以控制 24 个轴

31 7. 智能数控系统技术 　 智能数控系统技术发展的突破点是高精度智能 化交流伺服系统的研制，它的智能水平决定了数控 系统的控制精度，是提高数控机床加工精度的关键 技术。 自学习、自组织、自识别的交流伺服控制器， 不依赖于对象模型的智能控制器。 核心采用与PC机体系结构兼容和多机系统互联 技术的设计而形成的开放式系统。

32 微机原理及接口、工程控制基础、机电传动控制
1.4 课程内容安排、学习方法 机电一体化产品质量和技术水平的高低，已是当今世界衡量一个国家实力和国际地位的重要标志。高等学校应培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，具有创新精神和实践能力的“机电复合型”人才，使学生掌握机、电、液、计算机等综合控制系统的技术。 课程体系： 数控技术 交流伺服运动控制系统 电类《电机与运动控制系统》 微机原理及接口、工程控制基础、机电传动控制 区别于电类，针对机类基础、侧重于应用

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34 3 交流伺服运动控制系统模型及仿真分析(10学时) 5 基于PC运动控制板卡的交流伺服运动控制系统(2学时)
1 课程的内容安排 1 绪论(2学时) 2 伺服运动控制系统检测技术及元件(2学时) 3 交流伺服运动控制系统模型及仿真分析(10学时) 5 基于PC运动控制板卡的交流伺服运动控制系统(2学时) 6 基于CANbus现场总线的交流伺服运动控制系统(2学时) 7 基于DSP技术的交流伺服运动控制系统(3学时) 8 交流伺服运动控制系统的典型案例分析 (1学时) 9 复习(2学时) 产品 应用方案 技术 （电力电子、计算机及通信技术） 原理 ( 电机学、控制理论)

35 2 课程的学习方法 复习：机电传动控制/数控技术/工程控制基础/模拟电子技术/数字电路/微机原理
联系：传感技术与智能检测系统/计算机控制系统/光电检测技术 内容较广，加强理解、记忆！ 教程： 舒志兵 交流伺服运动控制系统 清华大学出版社 参考资料： 尔桂花、窦日轩 运动控制系统 清华大学出版社 杨耕、罗应立 电机与运动控制系统 清华大学出版社 《伺服控制》 《变频器世界》

36 * 关于课程的教材

37 考核方式 平时(点名、提问)（40%） 开卷考试（60%）：教材+PPT