《运动控制系统》-----王斌锐
运动控制系统
- 前言
- 一 绪论
- 1.1 运动的基本概念与分类
- 1.2 运动控制系统的组成
- 二 运动机构分析
- 2.1 运动副
- 解释
- 2.2 基座固定的运动
- 2.3 无基座的运动
- 2.4 水下运动
- 2.5 空中运动
- 2.6 随动机构
- 2.7传动机构
- 2.7.1 减速方式
- 行星减速
- 谐波减速
- 3.运动学和动力学建模
- 4.运动测量传感器
- 4.2 常用运动测量传感器
- 4.2.1 旋转变压器 （Resolver）
- 4.2.3 脉冲编码器（EnCoder）
- 4.2.4 光栅
- 4.2.7 限位开关
- 5.致动方式与驱动器
- 5.3.4 电机的驱动放大器
- 6. 伺服电机模型及控制策略
- 6.2.4 调速系统性能指标
前言
自动控制领域有过程控制和运动控制两大分支；
过程控制针对离散的过程量；
运动控制针对的是实时的连续的控制；
目前的运动控制主要侧重点在于电机原理以及伺服驱动器控制，而现代完整的运动控制系统不仅仅是这些。
运动控制系统的组成
- 运动的起源----驱动器；
- 实现的基础----结构机构；
- 数学基础/理论力学----运动学和动力学建模；
- 控制系统的组成----运动感知，控制算法，控制器硬件
一 绪论
1.1 运动的基本概念与分类
机械运动:物体的空间维坐标随时间的变化。
运动控制系统的目的就是利用自动控制技术对物体的运动进行调节，从而达到预期运动轨迹。
运动控制系统的分类：
（1）基座是否固定：即是否可移动，不可移动的控制环境相对确定，机动性差；可移动类型环境变化大，避障问题难以解决，需要相对于环境建模，复杂的运动轨迹规划，引申出自动控制与导航等一类问题；
（2）控制方式分类：
- 程序控制：完全由事先编译好的控制控制，适合某些运动轨迹简单且固定的场景使用；
- 遥控：完全由人为进行控制；
- 半自主控制：部分自主控制，部分由人控制；
- 全自主控制：完全自主确定，无人为控制，如太空火星车；
1.2 运动控制系统的组成
上/中/下三层控制器，三个不同量级的控制器分别负责不同复杂程度，响应时间，计算能力等要求的。
个人理解，其中上层控制器一般是PC或者工控机 这种CPU处理能力强的硬件；底层控制器一般是嵌入式的硬件类似FPGA 单片机 STM32之类的硬件，而中层控制器我个人觉得可以忽略往往是包含在上层或者底层控制器之中；
什么时候采用开环控制：被控制量难以直接测量。
二 运动机构分析
由于我本身是学嵌入式出身，在设计控制系统时相应的结构部分都是设计好的，对于本章结构机构（机构学）以及第三章的运动学与动力学建模（理论力学）仅仅是通读了解了一下。
2.1 运动副
运动副：相对运动构件的活动连接；
低副：相对运动构件是面接触；
高副：相对运动构件的点/线接触；
解释
由于本书涉及的知识领域范围较广，有不少是我完全不熟悉的，复杂的数学模型短时间内也无法弄懂，接下来不再每个章节的赘述，只对其中在实际项目中有遇到过的应用结合自己的理解进行叙述。
笔者自己所参与过的几个项目，其中的机构设计是由负责机构机构的师兄设计，涉及到《理论力学》的运动学/动力学建模和仿真也是由同一位师兄所负责；其中具体的控制算法，路径规划，步态算法（我们是可行走的4足机器人）由一位师兄负责，而我负责的是其中的底层的软硬件实现，具体的是利用米联客Zynq7020的核心板+具体工程具体设计的底板+ucos操作系统（因为航天领域对于实时性要求比较高），作为嵌入式的控制器，可以实现大多数的应用场景的控制要求，而具体的软件算法则是在Xilinx Vivado的SDK进行软件算法的设计。
2.2 基座固定的运动
就是固定的不可移动的；
2.3 无基座的运动
其中又可以细分为：
- 轮式
- 履带式
- 混合越障式
- 腿式
- 地面爬行式
- 爬壁
基座固定式/无基座式在项目中都很常见。其中无基座式个人认为较复杂一些。
2.4 水下运动
2.5 空中运动
固定翼，旋翼，摆翼；
2.6 随动机构
比较常见的就是外骨骼机器人
2.7传动机构
2.7.1 减速方式
项目中遇到过的就是行星齿轮减速和谐波减速；
行星减速
行星减速的原理是三组不同的带有齿轮的机构的运动和停止关系来实现减速和换向的；
减速传动：齿圈固定，太阳轮作为动力输入，行星轮作为输出；
增速传动：太阳轮锁定，行星架动力输入，齿圈输出；
换向：行星架锁住，太阳轮输入，齿圈输出，即减速又换向；
谐波减速
谐波减速类似与行星减速，区别是将其中的齿轮换成了柔性零件；
转动的原理：刚轮和柔轮的齿轮数不同。
3.运动学和动力学建模
4.运动测量传感器
测量系统的基本组成可分成三个环节（信息的获得，传输，处理）：
- 敏感元件/传感器测量被测对象输出到信息转换单元；
- 信息转换单元转换后输出到信息处理和控制单元；
- 信息处理和控制单元一方面输出到上位机，另一方面输出到执行机构；
伺服控制器中常用的运动测量传感器就是旋转变压器、编码器、光栅、限位开关之类的，其原理及使用方法都可以比较方便的找到；
标准电信号：
- 0~20mA 的电流信号；
- 正负5V的电压信号；
测量系统的基本指标
- 灵敏度：表征系统对输入量变化的响应能力。
- 分辨率：表征系统有效辨别输入量最小变化的能力。
- 精度：系统的总精度是其量程范围的基本误差与满度值（量程）之比的百分数。
- 静态特性：静态特性是在标准试验条件下获得的，否则还要在基本误差（系统误差+随机误差）上加上附加误差。
- 动态特性：系统对随时间变化的输入量的响应特性。
4.2 常用运动测量传感器
4.2.1 旋转变压器 （Resolver）
旋转变压器是一种特制的两相旋转电动机，由定子和转子两部分组成。在定子和转子上各有两套在空间完全正交的绕组。当转子旋转时，定子、转子绕组间的相对位置随之变化，使输出电压与转子转角呈一定的函数关系。
在我个人的使用过程中主要是正余弦旋变，一般有六根线，分别是COS+，COS-，SIN+，SIN-，R+，R-对应余弦，正弦，激励。
4.2.3 脉冲编码器（EnCoder）
编码器又分为增量型和绝对型，其区别就在于编码器圈数的计算方式，增量型无法断电保存，绝对型是依靠物理刻度断电记忆。
实际过程中编码器存在一个分辨率的问题，一般是2N，也就是旋转一圈的的计算刻度。232=8388608
4.2.4 光栅
光栅尺是依靠光学器件产生的莫尔条纹数来计算距离的，没有亲自使用过，一般是232接口。
4.2.7 限位开关
限位开关又称为行程开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，输出信号。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，其作用原理与按钮类似。
5.致动方式与驱动器
5.3.4 电机的驱动放大器
由于控制器输出的控制信号是弱电信号，需转换成可以驱动电动机带动负载运动的强电，因此，控制电动机转动的控制器与电动机之间需通过驱动放大器连接。驱动器的功能就是根据电动机的控制方式，将控制信号转变成可控制电动机位置、转速和力矩的驱动信号，例如电流变化、电压变化、频率变化、相位变化等。
伺服放大器也叫伺服驱动器，是用来控制伺服电动机的一种控制器。目前主流的伺服放大器均采用数字信号处理器（digital signal processors，DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元，伺服控制单元是整个伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。功率器件普遍采用以智能功率模块（intelligent power module，IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软起动电路，以减小起动过程对驱动器的冲击。以三相永磁式同步交流伺服电动机驱动器为例，功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电动机。功率驱动单元的整个工作过程可以归纳为AC→DC→AC的过程。
6. 伺服电机模型及控制策略
6.2.4 调速系统性能指标
运动控制系统稳定运行的性能指标称为稳态性能指标，又称静态性能指标。在调速系统的稳态性能中，主要有以下3个要求。
- 调速。要求系统能够在指定的转速范围内分挡或者平滑地调节转速。
- 稳速。要求系统以一定的精度在所需转速上稳定运行，不能有过大的转速波动。
- 加、减速。对频繁起动和制动的设备，要求加减速尽量快；对不宜经受剧烈速度变化的机械，要求起动和制动尽量平稳。
为了定量分析调速系统，针对前两项要求定义两个稳态性能指标：调速范围和静差率.
调速范围
生产机械要求电动机能达到的最高转速 nmaxn_{\max }nmax 和最低转速 nminn_{\min }nmin 之比称为调速范围, 常 用字母 DDD 表示, 即
D=nmaxnminD=\frac{n_{\max }}{n_{\min }} D=nminnmax
nmaxn_{\max }nmax 和 nminn_{\min }nmin一般指额定负载时的转速, 对于少数负载很轻的机械, 也可定义为实际负载时 的转速。对于基速 (额定转速) 以下的调速系统, 最高转速 等于其额定转速 。
静差率
当系统在某一转速下运行时, 负载由理想空载变到额定负载所对应的转速降落 ΔnN\Delta n_{\mathrm{N}}ΔnN 与 理想空载转速 n0n_{0}n0 之比称为静差率, 常用字母 SSS 表示, 即
S=ΔnNn0S=\frac{\Delta n_{\mathrm{N}}}{n_{0}} S=n0ΔnN
或用百分数表示为
S=ΔnNn0×100%S=\frac{\Delta n_{\mathrm{N}}}{n_{0}} \times 100 \% S=n0ΔnN×100%
静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定程度。静差率与机械特性的硬度 有关, 特性越硬, 静差率越小, 转速的稳定程度就越高。然而, 静差率和机械特性的硬度既有 联系又有区别。硬度是指机械特性的斜率, 对于同样硬度的机械特性, 随着理想空载转速的 降低, 其静差率就会增大, 转速的稳定程度也会随之降低。
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