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1、高精度运动控制系统高精度运动控制系统-关键技术及综合运用关键技术及综合运用 北京慧摩森电子系统技术有限公司北京慧摩森电子系统技术有限公司慧摩森慧摩森公司简介（一）公司简介（一）北京慧摩森电子系统技术有限公司是以开发生产高精度运动定位系统为主的高新技术企业，所研发产品集成光机电一体化技术，采用的技术和产品精度达到国际先进水平。目前直线电机在运动控制领域的应用越来越广泛，我公司所生产的SM系列直线电机性能稳定，质量好，与PWM的驱动控制器及直线光栅编码器组成伺服运动系统，代替传统的丝杠和皮带传动结构形式，简化了结构，提高了运动控制系统的性能。公司自主研制的0.1微米级精密运动平台及集成控制系统是微
2、电子制造和测试设备的核心部件，也是生物医疗设备和精密制造业发展的关键部件，这些产品在以上领域的应用可以极大提高我国的制造水平，缩小和先进国家的差距。公司简介（二）公司简介（二）此外公司还与秦皇岛海纳科技公司合作研发了国内首款可驱动直线电机和旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等高端功能，产品性能已达到国际先进水平，可广泛用于高精密运动控制系统的驱动和控制。公司还代理销售MicroE、SIKO、ELMO等多家国外知名品牌的光栅、磁栅、驱动器、控制器等产品，并为客户提供技术支持和伺服运动控制系统集成。运动控制系统的关键技术运动控制系统的关键技术运动控制系统的基本构成运
3、动控制系统的基本构成 执行机构/电机被控对象反馈传感器运动控制平台/运动控制卡功率放大器/驱动器人机接口/高层指令生成运动控制系统的要求及所涉及关键技术运动控制系统的要求及所涉及关键技术在机械结构允许的情况下,产生最快最平稳的时间轨迹.这就需要在下列系统限制的情况下确定算法:机械机构的固有频率,执行机构的响应时间,伺服系统通带宽度,电机功率,驱动器功率,传感器响应及限制电源电压,.同时算法的复杂性还要受到系统实时性和计算机的速度的制约。v通常在理想时间轨迹之外,还需加入补偿控制,以实现运动的快速性及平稳性。高精度运动控制系统的关键技术涉及：运动控制、伺服控制、机械结构设计及材料选择、装配工艺以
4、及系统的保护等诸多方面的技术。要求要求：关键技术：关键技术：运动控制中的关键技术运动控制中的关键技术v运动控制产生相对于时间的空间轨迹,以及直接实现各机械模块之间的同步控制,例如:电子齿轮变速(无级变速)各种平面曲线,圆,椭圆,y(t)=f(x(t)各种空间曲线,z(t)=f(x(t),y(t)v运动插补v高阶运动轨迹生成v运动控制系统的自学习与自调整v工业现场的高速网络化通讯v 运动控制的主要技术指标运动控制的主要技术指标v可产生的运动轨迹的种类(直线,圆,弧线,任意曲线)v轨迹相对时间的阶次v最高速度,最高加速度v位置,速度精度v可同时控制运动轴数(4 轴,8,轴,)v运动轴之间的同步v伺
5、服轴的数目v伺服控制中的关键技术伺服控制中的关键技术v系统实验与系统辩识v振动分析与抑振技术v鲁棒控制技术v自适应控制v自学习与自调整v模糊训练伺服控制：运动控制在于如何产生运动控制指令(算法),而伺服控制在于如何让机电系统快速，准确地跟踪运动控制指令伺服伺服驱动器的主要性能指标驱动器的主要性能指标v工作电压v输出电流v工作效率v伺服控制算法v闭环响应带宽v动/静态精度v控制刚度v稳态时间v分辨率v采样时间/控制频率v各种保护功能过压保护/欠压报警、短路保护、最大电流持续时间、连续/RMS电流保护、过温保护、停机保护、失控保护(电流反灌保护)执行机构执行机构设计的关键技术设计的关键技术v执行机
6、构/电机的设计v运动连接及动力传输v动力学分析与仿真v结构与振动分析v直线电机的兴起及应用v 执行机构执行机构运动系统的执行机构由电机及完成运动的机械结构组成，执行机构的设计主要目的是提高系统刚性、抑制系统的低频共振。执行机构执行机构的主要性能指标的主要性能指标v系统刚度v系统共振频率v系统的承载能力v系统最大运行速度及加速度v 装配工艺中应注意的问题装配工艺中应注意的问题v设备的装配质量受到多方面因素的影响，除了技术、工艺方面的问题以外，还与装配工人的人为因素有关，这里我们重点介绍一下位置反馈传感器的选取与安装光栅传感器精度的决定因素光栅尺的精度 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)光栅
7、尺的热敏系数差值技术信号质量频率响应与最高速度旋转编码器最大速度=工作频率(Hz)/(每转线数)*60 RPM线性编码器最大速度=扫描频率(Hz)*信号周期(micron)*10e-6 m/sec其中 信号周期=测量步距(micron)*细分倍数*4 micron安装要求反映真实的被测物理变量对电气及机械噪声干扰不敏感可允许的振动与冲击的工作环境光栅尺与读数头的安装刚度光栅传感器的非运动部件的振动隔离传感器电缆的最小弯曲半径实例：编码器安装对信号质量及精度的影响实例：编码器安装对信号质量及精度的影响安装误差的影响实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续）实例：编码器安装对信号质量及精度的影响
8、（续）信号质量对误差影响运动控制系统的保护运动控制系统的保护硬件级限位传感器保护看门狗保护电源故障保护过功率保护驱动器短路保护驱动器过压/欠压保护驱动器过温保护驱动器RMS电流保护 软件级计算错误保护位置误差保护饱和保护震荡保护RMS功率保护电源故障保护急停保护机械级机械限位装置机械刹车/卡紧装置机械防撞装置 总结总结v运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法和分析v运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制v采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性v运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性v运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/电机
9、、反馈器件、被控对象及控制算法构成v运动系统部件的选择要综合考虑很多因素高精度运动控制系统的应用高精度运动控制系统的应用龙门式双轴直线电机平台龙门式双轴直线电机平台v构成：CNC（控制卡）+驱动+电机+反馈v控制模式：位置/速度/力矩v控制接口：总线/模拟/脉冲v定位分辨率：0.5um-5umv重复定位精度：10umv最大加速度：5gv特点：多轴联动，精度高，功能强，价格偏高v应用领域：数控机床、激光设备、封装设备、测试测量直线电机的特点直线电机的特点现代机床业的新宠直线电机v无丝杠传动结构简单低成本低噪声无磨损/少维修（空气轴承无磨损）v直接驱动+直接反馈高精度高稳定性 北京慧摩森公司SM系
10、列U型开口式直线电机是高速、轻型设备的首选。其持续推力在1到20公斤之间，峰值推力可以到80公斤，配备MicorE光栅和合适的控制系统，典型运行速度1到2米/秒，最大5米/秒。此系列电机结构简单、价格便宜、控制方便，主要应用于电子设备、精密测量、精细加工等领域。伺服驱动器的选择伺服驱动器的选择vHN伺服控制驱动器是一种通用型的伺服控制驱动器，可驱动交流无刷旋转电机和交流无刷直线电机等伺服电机。该驱动器采用DSP作为核心控制芯片，使用全数字电机控制算法，实现了电流环、速度环、位置环的闭环控制，此外该驱动器还具有：微动换相、电机参数识别、控制参数自整定、高阶运动轨迹生成、共振抑制、用户程序控制等功
11、能。反馈装置的选择反馈装置的选择vMicroE光栅编码器及DRC编码器尺寸下（硬币大小），重量轻（5克）分辨率高：5um-0.1nm可选速度快：高达7.2m/s直线和旋转运动均可适用vSIKO磁栅尺提供栅尺、读取头、信号转换装置、显示表头。信号输出方式：模拟、数字、绝对式典型产品：MSK5000系列数字信号输出，LED工作状态指示最高分辨率：0.001毫米最大速度：4m/s（0.001mm分辨率时）应用于直线或角度测量 vExcel激光干涉仪10XX系列激光干涉仪（Laser Interferometer）1100B激光标定系统（Laser Calibration System）1700A水平度/倾斜度传感器(Level Sensor)