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運動控製係統的組成

運動控製係統的組成

    按照伺服機構的能源供給方式來劃分,運動控製係統可以分為電動控製係統、氣動控製係統和液壓控製係統三種。其中,液壓伺服機構和氣動伺服機構適用於要求防爆且輸出力矩較大,控製精度要求較低的場合。近年來,隨著大功率力矩電機的出現,電動伺服機構的應用範圍得到了進一步的拓展。

 

 

    按照被控製量的性質來劃分,運動控製係統可以分為位置控製係統、速度控製係統、加速度控製係統、同步控製係統、力矩控製係統等類型。

 

    位置控製是將負載從某一確定的空間位置按照一定的軌跡移動到另一空間的位置,例如數控機床、搬運機械手和工業機器人。

 

    速度控製和加速度控製是使負載按照某一確定的速度曲線進行運動,例如電梯通過速度和加速度調節實現平穩升降和平層。很多速度控製係統的控製目標也包括位置,例如電梯控製係統,因此,速度控製在很多情況下是與位置控製等相互配合來工作的。

 

    力矩控製係統是通過轉矩的反饋來使輸出轉矩保持恒定或按某一規律變化,應用主要在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中,例如饒線裝置或拉光纖設備,轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

 

    典型的運動控製係統如下圖所示:

 

典型的運動控製係統結構圖

 

    根據伺服機構和機械裝置運行情況是否反饋至控製器,運動控製係統又可以分為開環運動控製、半閉環運動控製和全閉環運動控製。

 

    開環運動控製的一個典型案例是步進電動機控製的工作台移動,如下圖所示。在開環運動控製係統中,執行機構(步進電動機)的運動目標指令和執行過程是確定的,但實際執行結果與指令之間是否存在偏差無法確定。

 

開環運動控製係統結構圖

 

    半閉環運動控製的一個典型案例是伺服電動機控製的工作台移動,如下圖所示。在半閉環運動控製係統中,執行機構(伺服電動機)的在執行運動目標指令過程中,會將本身的速度信息和位置信息反饋給控製器,控製器在收到反饋信號後可以通過PID等算法消除執行機構實際運動結果與目標指令之間的偏差。

 

 

半閉環運動控製係統結構圖

 

    在半閉環運動控製係統中,反饋信號來自執行機構(伺服電機),而不是實際的生產機械。因此,采用半閉環控製係統時,由實際的生產機械造成的運動結果與目標之間的誤差無法消除。為了改善這種情況,有些控製精度要求高的場合會采用全閉環運動控製係統,在實際生產機械上再增加反饋信號輸出裝置並反饋給控製器,控製器根據實際運動過程與目標之間的偏差進行修正處理,提高控製精度。全閉環運動控製係統的結構如下圖所示。

全閉環運動控製係統結構圖

 

    在運動控製係統中,用戶所開發的應用軟件便是應用程序中的特定部分。應用軟件定義了運動配置文件,以及特定事件觸發並影響配置文件的方式。應用軟件由好幾個可選的層次構成。通常來說都包含一個用戶界麵程序,用以實現交互式操作。很多運動控製應用都包含應用層,實現警報處理和數據庫連接性(連接到一個SCADA係統)。它們還通常包含由運動控製器執行的運動控製指令。運動控製器的製造商提供了應用軟件的開發環境。

 

    根據上述內容,運動控製器創建運動配置文件。根據這些配置文件,控製器將信號(通常是±10 V,或者步進信號與方向信號)通過放大器或者電動機驅動傳到電動機。放大器的任務就是從控製器接收信號,然後將它們變成可以驅動電動機轉動的信號。

 

    隨著電動機運轉,反饋設備——通常是位置傳感器——會將位置信息反向傳遞至控製器,構成閉環控製環。運動控製器通過位置傳感器獲取電動機的位置信息,從而推算出電動機的移動速度。有些應用中需要有多個反饋設備,以保證該電動機所驅動的機械係統能夠正確運行。雖然反饋設備提供了位置信息,但有時還需要向控製器傳遞一些特殊的反饋信息,譬如壓力傳感器或者震動傳感器的數據。