運(yùn)動控制的基礎(chǔ)知識

目 次

●什么是運(yùn)動控制？

●什么是運(yùn)動控制接口板？

●什么是電機(jī)驅(qū)動單元？

●什么是步進(jìn)電機(jī)？

●什

么是伺服電機(jī)？

●什么是編碼器輸入？

●脈沖輸出信號/輸出格式

●多軸同步、接口板間多軸同步

●限位輸入

●報(bào)警編碼

●報(bào)警清除信號

●保持解除信號

●偏差計(jì)數(shù)清除信號

●PTP動作

●JOG動作

●ORG(原點(diǎn)復(fù)位) 移動

●恒速/直線加減速/S字形加減速

●插補(bǔ)控制

●幀記憶連續(xù)動作

●通用(控制信號)輸入輸出

什么是運(yùn)動控制？

運(yùn)動控制是指“控制移動”之意。其代表可以舉出利用各種電機(jī)進(jìn)行位置控制等。電能附加給電機(jī)，使電機(jī)工作，轉(zhuǎn)換為動能。這項(xiàng)技術(shù)作為機(jī)床、機(jī)械手控制、半導(dǎo)體制造裝置、注塑成型機(jī)、數(shù)字家電檢查裝置等的核心，發(fā)揮著巨大的作用，在這一領(lǐng)域的設(shè)備投資近年來大幅增長。

輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制

多軸機(jī)械手的軸控制

旋轉(zhuǎn)平臺定位控制

XY工作臺定位控制

什么是運(yùn)動控制接口板？

按照指定的脈沖個(gè)數(shù)和頻率，輸出脈沖序列的計(jì)算機(jī)接口板。可根據(jù)目的位置、速度、加減速率等動作參數(shù)，自動輸出控制脈沖。還具備定位控制需要的各種限位輸入功能。電機(jī)本體控制由電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行。由運(yùn)動控制接口板向電機(jī)驅(qū)動器輸出脈沖信號，控制電機(jī)。連接脈沖輸入型號的步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)使用。

電機(jī)移動控制產(chǎn)品一覽

什么是電機(jī)驅(qū)動單元？

這是用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的控制單元。通過向驅(qū)動單元進(jìn)行控制信號的設(shè)置/取得，進(jìn)行電機(jī)控制。

●有關(guān)可與電機(jī)驅(qū)動單元接線的端子臺，請點(diǎn)擊這里

什么是步進(jìn)電機(jī)？

這是可高精度定位的電機(jī)。與輸入脈沖同步，呈階梯狀地一點(diǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度。由于步進(jìn)電機(jī)根據(jù)輸入脈沖準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)，所以無需旋轉(zhuǎn)量檢測就能夠高精度定位。一般的分辨率是：1步(1個(gè)脈沖）= 1.8°、 0.72°、0.36°等。

特征

●可以開環(huán)高精度定位。

●啟動和停止的響應(yīng)性優(yōu)越。

●不累積停止時(shí)的角度誤差（一般步進(jìn)電機(jī)的誤差為一般±0.05°，精度高)。

●即使處于停止?fàn)顟B(tài)，也可獲得較大的自保持力。

●低速時(shí)可獲得大轉(zhuǎn)矩。

●電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，使維護(hù)工作變得簡單。

步進(jìn)角

向電機(jī)驅(qū)動器輸入1個(gè)脈沖時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。一般精度分為：1步(1個(gè)脈沖）= 1.8°、 0.72°、0.36°等。用脈沖個(gè)數(shù)指定旋轉(zhuǎn)量，用脈沖頻率指定轉(zhuǎn)速。

例如：步進(jìn)角為0.72°時(shí)，使小車移動50mm所需要的脈沖個(gè)數(shù)是多少？

1.電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°所需要的脈沖個(gè)數(shù):90 ÷ 0.72 = 125

2.脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周(360°）所需的脈沖個(gè)數(shù):125×4=500個(gè)脈沖

3.假設(shè)旋轉(zhuǎn)1周小車移動10mm，則50mm÷10mm=5周

4.需要的移動脈沖個(gè)數(shù): 500個(gè)脈沖×5周 = 2500個(gè)脈沖

轉(zhuǎn)速

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地與脈沖信號的速度成正比。轉(zhuǎn)速和脈沖信號的速度關(guān)系可由下述公式求得。用脈沖個(gè)數(shù)指定旋轉(zhuǎn)量，用脈沖頻率指定轉(zhuǎn)速。

電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) = 步進(jìn)角(°）/360°×脈沖速度(頻率: Hz) × 60

100Hz Motor rotation velocity:LOW 2000Hz Motor rotation velocity:HIGH

例如：求步進(jìn)角= 0.72°、脈沖速度=1000Hz 時(shí)的電機(jī)速度

電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) = 0.72/360 × 1000 × 60 = 120(r/min)

失步

在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，出現(xiàn)急劇的速度變化(加減速)或超過負(fù)載時(shí)，電機(jī)不能與脈沖同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)生停止、錯(cuò)誤的現(xiàn)象叫做“失步”。近年的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)采用了不會失步的機(jī)構(gòu)。

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什么是伺服電機(jī)？

伺服電機(jī)分為交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)。主要在制造工廠使用（機(jī)床、產(chǎn)業(yè)機(jī)械手等)。伺服電機(jī)具備檢測轉(zhuǎn)角的編碼器，進(jìn)行閉環(huán)高精度的定位。我公司的運(yùn)動控制接口板支持脈沖輸入型號的伺服電機(jī)。

特征

●能夠產(chǎn)生較大的加減速轉(zhuǎn)矩，即使負(fù)荷或脈沖速度急劇變化，也不會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，獲得高速響應(yīng)。

●不僅可從低速到高速獲得平穩(wěn)而圓滑的旋轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)中噪音也小，靜音效果好。

●以小型化、輕量化實(shí)現(xiàn)高輸出功率。

什么是編碼器輸入？

公司的運(yùn)動控制接口板產(chǎn)品配置了用于反饋控制的計(jì)數(shù)器功能。連接增量型(加法、減法動作）的編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的反饋控制。反饋控制自身需要進(jìn)行編程。輸入回路支持2相（A相/B相）以及單相（UP/DOWN)?？墒褂弥С植顒虞敵?、TTL電平輸出、集電極開路輸出的編碼器。

主要用途

●從伺服電機(jī)輸出脈沖→管理/控制位置信息

●步進(jìn)電機(jī)的失步檢測

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脈沖輸出信號/輸出格式

我公司的運(yùn)動控制接口板具有以下的輸出方式，支持脈沖序列輸入方式的電機(jī)驅(qū)動器。

2脈沖方式(獨(dú)立脈沖輸出）

這是輸出正方向用（CW)、負(fù)正方向用（CCW)2種獨(dú)立脈沖信號，進(jìn)行控制的方式。CW(Clock Wise)表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（右旋），CCW(Counter Clock Wise)表示反時(shí)針方向（左旋）。

公用脈沖方式(方向信號輸出：OUT(脈沖輸出）、 DIR(方向輸出）

使用1個(gè)控制移動量和速度的脈沖信號、決定旋轉(zhuǎn)方向的信號，進(jìn)行控制。

OUT(提前脈沖輸出）、DIR(滯后脈沖輸出）方式

輸出OUT(提前脈沖輸出）信號和DIR(滯后脈沖輸出）信號。當(dāng)DIR與OUT相位相差+90°時(shí)，朝正方向（順時(shí)針方向）動作（旋轉(zhuǎn)）。當(dāng)DIR與OUT相位相差-90°時(shí)，朝負(fù)方向（反時(shí)針方向）動作（旋轉(zhuǎn)）。

多軸同步、接口板間多軸同步

我公司的運(yùn)動控制接口板能夠?qū)Χ鄠€(gè)軸之間的同時(shí)開始/停止進(jìn)行同步控制。此外，連接專用的同步控制線纜，最多可進(jìn)行16塊（128個(gè)軸）的同步控制。使用8軸接口板時(shí)，還可以4軸為單位分組。

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限位輸入

這是檢測電機(jī)（小車)停止點(diǎn)、減速點(diǎn)、原點(diǎn)等的功能。能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位控制。

+LIM / -LIM (方向限位): + 為順時(shí)針方向，-為反時(shí)針方向

這是檢測界限位置的輸入信號。分別將+LIM和-LIM安裝在正負(fù)界限位置，在電機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)镃W(順時(shí)針方向）時(shí)和CCW(反時(shí)針方向）時(shí)，防止電機(jī)超過界限位置旋轉(zhuǎn)。小車一旦達(dá)到該位置，不管處于何種動作狀態(tài)，電機(jī)立即停止。

之后，只要限位還在起作用，即使向同一方向再發(fā)出動作指示(命令），電機(jī)也不會超過限位位置動作。向反方向下達(dá)動作指令，電機(jī)才可以開始再次移動(旋轉(zhuǎn))。

+SD / -SD(方向減速): ＋為順時(shí)針方向，－為反時(shí)針方向。

SD是檢測電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)中(加減速動作時(shí))開始減速的位置的限位輸入。高速動作（移動)的小車在此位置開始減速，降到開始速度后停止。

ORG(原點(diǎn)限位)

這是檢測各動作的基準(zhǔn)——原點(diǎn)——的開關(guān)輸入?？赏ㄟ^軟件設(shè)置邏輯方向。根據(jù)設(shè)置，當(dāng)有信號輸入時(shí)停止。

報(bào)警編碼

在驅(qū)動單元發(fā)生報(bào)警信號的同時(shí)，還會送出報(bào)警編碼。報(bào)警編碼表示發(fā)生報(bào)警的原因。應(yīng)用系統(tǒng)能夠接收這類報(bào)警編碼，因此通過將與各種報(bào)警編碼相當(dāng)于的（應(yīng)急）處置方法輸出到畫面上，操作人員可以迅速地進(jìn)行（應(yīng)急）處置。

報(bào)警清除信號

伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動單元為了進(jìn)行過負(fù)荷、過壓、過熱保護(hù)，有時(shí)會停止電機(jī)。此時(shí)，由驅(qū)動單元向接口板（應(yīng)用）發(fā)出報(bào)警信號。一旦收到報(bào)警信號，也會停止同步設(shè)置的軸的動作。如果應(yīng)用收到報(bào)警信號，需要切斷系統(tǒng)進(jìn)行處置，解除報(bào)警信號。這時(shí)，將發(fā)出報(bào)警清除信號。

保持解除信號

在步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行定位時(shí)，為了保持停止?fàn)顟B(tài)。 利用保持解除信號。在接口板內(nèi)部，當(dāng)電機(jī)動作時(shí)（自動）斷開（不保持）保持信號，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)接通（保持）保持信號。

偏差計(jì)數(shù)清除信號

伺服電機(jī)的驅(qū)動單元內(nèi)部具有偏差計(jì)數(shù)器，其作用是計(jì)數(shù)輸入脈沖和反饋脈沖的偏差。如果脈沖輸入驅(qū)動器，在計(jì)數(shù)器內(nèi)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)（累積脈沖），電機(jī)一旦旋轉(zhuǎn)，反饋信號使計(jì)數(shù)器內(nèi)累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行減法運(yùn)算，為使累積的脈沖個(gè)數(shù)趨于0而進(jìn)行定位控制。進(jìn)行原點(diǎn)復(fù)位動作時(shí)，檢出原點(diǎn)立即使電機(jī)停止，因此偏差計(jì)數(shù)器內(nèi)有可能會殘留累積脈沖。在此時(shí)，對驅(qū)動單元設(shè)置偏差計(jì)數(shù)器清除信號，徹底地完成原點(diǎn)復(fù)位。

PTP動作

PTP動作是指從某一地點(diǎn)向別的地方移動（Point To Point）的動作。用于簡單的定位控制。我公司的運(yùn)動控制接口板可在動作中的任何時(shí)刻，更改停止位置。右圖表示在加速、恒速動作中，將新數(shù)據(jù)改為遠(yuǎn)離最初的目標(biāo)位置的情形。例如，從開始位置指定3,000個(gè)脈沖的位置，正在移動中，此時(shí)不必停止電機(jī)，就可以改為5,000個(gè)脈沖的位置。

JOG動作

JOG動作是不指定移動距離的移動動作。手動進(jìn)行電機(jī)定位時(shí)使用。連續(xù)地使電機(jī)動作，直到輸入±LIM信號或者發(fā)出停止命令。在動作過程中的任意時(shí)刻，均可以改變速度和加減速時(shí)間。

ORG動作

ORG(原點(diǎn)復(fù)位)動作是使電機(jī)移動到原點(diǎn)的動作。我公司的產(chǎn)品具有下述獨(dú)特的原點(diǎn)復(fù)位功能。當(dāng)進(jìn)行了原點(diǎn)復(fù)位的設(shè)置、動作類型指定為ORG以后，一旦動作開始，直到原點(diǎn)復(fù)位終了，驅(qū)動程序會自動地進(jìn)行控制。

因此，原點(diǎn)復(fù)位動作的控制邏輯無需客戶設(shè)計(jì)，從而簡單地實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)復(fù)位的動作。

可以指定原點(diǎn)復(fù)位的結(jié)束方向。

原點(diǎn)限位傳感器不一定是高精度的傳感器。因此，從正方向檢出限位和從負(fù)方向檢出限位有時(shí)在位置上存在誤差。為了解決這個(gè)問題，始終只從一個(gè)方向檢出原點(diǎn)限位。

不需要NORG(Near原點(diǎn)）。

當(dāng)利用加減速移動進(jìn)行原點(diǎn)復(fù)位時(shí)，為了保證用原點(diǎn)限位確實(shí)停止，需要在原點(diǎn)限位附件設(shè)置減速停止限位傳感器，將其作為Near原點(diǎn)。利用一個(gè)原點(diǎn)限位開關(guān)，發(fā)揮Near原點(diǎn)的作用。

恒速/直線加減速/S字形加減速

恒速動作

按一定的速度(頻率)輸出脈沖。設(shè)備按一定的速度移動。當(dāng)啟動、停止時(shí)，會產(chǎn)生急劇的速度變化。

直線加減速動作

這是在啟動時(shí)、停止時(shí)，按照一定的速率加速（減速），吸收啟動時(shí)、停止時(shí)的沖擊的動作。也稱作梯形速度控制。

S字形加減速移動

這是在直線加減速動作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少沖擊的速度控制方式。減小加減速開始和結(jié)束時(shí)的加速度，從而減輕了動作開始和停止時(shí)的振動。

插補(bǔ)控制

控制2軸以上時(shí)，從開始點(diǎn)目的點(diǎn)有3種移動方式。

PTP控制(point to point)

首先移動X軸到(Xt)點(diǎn)，然后移動Y軸到(Yt)點(diǎn)。

直線插補(bǔ)

一邊同步控制X軸、Y軸，一邊使合成的軌跡維持直線而朝（Xt, Yt)點(diǎn)移動。

圓弧插補(bǔ)

指定圓弧的中心坐標(biāo)和圓弧上的目標(biāo)點(diǎn)，一邊同步控制X軸、Y軸，一邊使合成的軌跡描繪程序指定的軌跡而朝（Xt, Yt)點(diǎn)移動。

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幀(存儲記憶)記憶連續(xù)移動功能

在我公司的運(yùn)動控制接口板內(nèi)，將電機(jī)動作所必要的移動距離、移動速度以及加減速率等的參數(shù)群作為一個(gè)幀，將連續(xù)多幀下載到接口板內(nèi)的存儲器中，然后執(zhí)行，具有以前的運(yùn)動控制接口板所沒有的巨大的好處。

要是使用執(zhí)行規(guī)定模式的控制系統(tǒng)，即使是復(fù)雜的控制，也不會增加計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速控制。

由于各幀的連續(xù)切換動作是靠硬件進(jìn)行的，下一動作切換時(shí)的空閑時(shí)間在1μsec以內(nèi)。

因此，可以構(gòu)建高效率的系統(tǒng)。如果配合各種插補(bǔ)控制，使多軸連續(xù)的插補(bǔ)控制成為可能。

正常動作

存儲記憶動作

通用輸入輸出信號(控制信號輸入輸出)

我公司的運(yùn)動控制接口板為每個(gè)軸配置了7點(diǎn)通用輸入（控制信號輸入）、3點(diǎn)通用輸出（控制信號輸出）。

ALM (輸入）

這是檢查來自電機(jī)驅(qū)動單元的報(bào)警信號的信號。

INP (輸入）

這是檢測來自伺服驅(qū)動器的定位結(jié)束信號的信號。當(dāng)偏差計(jì)數(shù)器為0時(shí)，輸出此信號。分配了INP信號，直到INP為ON時(shí)，才認(rèn)為接口板的動作完成。

SD (輸入）

這是檢測減速開始位置的信號。

LTC (輸入）

這是鎖存各種計(jì)數(shù)器的值的信號

PCS (輸入）

這是進(jìn)行定位控制開始輸入、目標(biāo)位置的超程的信號。

CLR (輸入）

這是清除各種計(jì)數(shù)器的值的信號。

ALMCLR：報(bào)警清除信號（輸出）

進(jìn)行驅(qū)動單元運(yùn)行許可、錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)復(fù)位。

ERC：偏差計(jì)數(shù)清除信號（輸出）

對累積脈沖進(jìn)行清除。

各種事件驅(qū)動（輸出）

當(dāng)輸出脈沖數(shù)值、編碼器輸入值與設(shè)定計(jì)數(shù)器的值一致時(shí)（CP1, CP2)等使用。

根據(jù)IN1～I(xiàn)N6, OUT1～OUT3等各種輸入輸出信號，在接口板端自動控制。

例1

將IN1設(shè)為ALM信號時(shí)，在脈沖輸出期間IN1有信號輸入時(shí)，接口板自動停止脈沖的輸出。而當(dāng)IN1不作為ALM信號設(shè)置時(shí)，即使IN1有信號輸入也不停止脈沖輸出。

例2

如果將OUT1設(shè)為ERC信號, 當(dāng)脈沖輸出結(jié)束，經(jīng)過指定時(shí)間后，OUT1自動地發(fā)射一個(gè)輸出脈沖或電平信號。

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