运动控制的基础知识

供稿：CONTEC康泰克（上海）信息科技有限公司

关键词：康泰克,运动控制
摘要：运动控制是指“控制移动”之意。其代表可以举出利用各种电机进行位置控制等。电能附加给电机，使电机工作，转换为动能。这项技术作为机床、机械手控制、半导体制造装置、注塑成型机、数字家电检查装置等的核心，发挥着巨大的作用，在这一领域的设备投资近年来大幅增长。

目次

●什么是运动控制？

●什么是运动控制接口板？

●什么是电机驱动单元？

●什么是步进电机？

●什

么是伺服电机？

●什么是编码器输入？

●脉冲输出信号/输出格式

●多轴同步、接口板间多轴同步

●限位输入

●报警编码

●报警清除信号

●保持解除信号

●偏差计数清除信号

●PTP动作

●JOG动作

●ORG(原点复位) 移动

●恒速/直线加减速/S字形加减速

●插补控制

●帧记忆连续动作

●通用(控制信号)输入输出

什么是运动控制？

运动控制是指“控制移动”之意。其代表可以举出利用各种电机进行位置控制等。电能附加给电机，使电机工作，转换为动能。这项技术作为机床、机械手控制、半导体制造装置、注塑成型机、数字家电检查装置等的核心，发挥着巨大的作用，在这一领域的设备投资近年来大幅增长。

输送机的旋转控制

多轴机械手的轴控制

旋转平台定位控制

XY工作台定位控制

什么是运动控制接口板？

按照指定的脉冲个数和频率，输出脉冲序列的计算机接口板。可根据目的位置、速度、加减速率等动作参数，自动输出控制脉冲。还具备定位控制需要的各种限位输入功能。电机本体控制由电机驱动器进行。由运动控制接口板向电机驱动器输出脉冲信号，控制电机。连接脉冲输入型号的步进电机、伺服电机使用。

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什么是电机驱动单元？

这是用于驱动步进电机和伺服电机的控制单元。通过向驱动单元进行控制信号的设置/取得，进行电机控制。

●有关可与电机驱动单元接线的端子台，请点击这里

什么是步进电机？

这是可高精度定位的电机。与输入脉冲同步，呈阶梯状地一点点旋转一定角度。由于步进电机根据输入脉冲准确旋转，所以无需旋转量检测就能够高精度定位。一般的分辨率是：1步(1个脉冲）= 1.8°、 0.72°、0.36°等。

特征

●可以开环高精度定位。

●启动和停止的响应性优越。

●不累积停止时的角度误差（一般步进电机的误差为一般±0.05°，精度高)。

●即使处于停止状态，也可获得较大的自保持力。

●低速时可获得大转矩。

●电机的结构简单，使维护工作变得简单。

步进角

向电机驱动器输入1个脉冲时步进电机转动的角度。一般精度分为：1步(1个脉冲）= 1.8°、 0.72°、0.36°等。用脉冲个数指定旋转量，用脉冲频率指定转速。

例如：步进角为0.72°时，使小车移动50mm所需要的脉冲个数是多少？

1.电机旋转90°所需要的脉冲个数:90 ÷ 0.72 = 125

2.脉冲电机旋转一周(360°）所需的脉冲个数:125×4=500个脉冲

3.假设旋转1周小车移动10mm，则50mm÷10mm=5周

4.需要的移动脉冲个数: 500个脉冲×5周 = 2500个脉冲

转速

步进电机的转速准确地与脉冲信号的速度成正比。转速和脉冲信号的速度关系可由下述公式求得。用脉冲个数指定旋转量，用脉冲频率指定转速。

电机转速(r/min) = 步进角(°）/360°×脉冲速度(频率: Hz) × 60

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

例如：求步进角= 0.72°、脉冲速度=1000Hz 时的电机速度

电机转速(r/min) = 0.72/360 × 1000 × 60 = 120(r/min)

失步

在步进电机运转中，出现急剧的速度变化(加减速)或超过负载时，电机不能与脉冲同步旋转，发生停止、错误的现象叫做“失步”。近年的步进电机已经采用了不会失步的机构。

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什么是伺服电机？

伺服电机分为交流伺服电机和直流伺服电机。主要在制造工厂使用（机床、产业机械手等)。伺服电机具备检测转角的编码器，进行闭环高精度的定位。我公司的运动控制接口板支持脉冲输入型号的伺服电机。

特征

●能够产生较大的加减速转矩，即使负荷或脉冲速度急剧变化，也不会产生失步现象，获得高速响应。

●不仅可从低速到高速获得平稳而圆滑的旋转，运转中噪音也小，静音效果好。

●以小型化、轻量化实现高输出功率。

什么是编码器输入？

公司的运动控制接口板产品配置了用于反馈控制的计数器功能。连接增量型(加法、减法动作）的编码器，能够实现高精度的反馈控制。反馈控制自身需要进行编程。输入回路支持2相（A相/B相）以及单相（UP/DOWN)。可使用支持差动输出、TTL电平输出、集电极开路输出的编码器。

主要用途

●从伺服电机输出脉冲→管理/控制位置信息

●步进电机的失步检测

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脉冲输出信号/输出格式

我公司的运动控制接口板具有以下的输出方式，支持脉冲序列输入方式的电机驱动器。

2脉冲方式(独立脉冲输出）

这是输出正方向用（CW)、负正方向用（CCW)2种独立脉冲信号，进行控制的方式。CW(Clock Wise)表示顺时针旋转（右旋），CCW(Counter Clock Wise)表示反时针方向（左旋）。

公用脉冲方式(方向信号输出：OUT(脉冲输出）、 DIR(方向输出）

使用1个控制移动量和速度的脉冲信号、决定旋转方向的信号，进行控制。

OUT(提前脉冲输出）、DIR(滞后脉冲输出）方式

输出OUT(提前脉冲输出）信号和DIR(滞后脉冲输出）信号。当DIR与OUT相位相差+90°时，朝正方向（顺时针方向）动作（旋转）。当DIR与OUT相位相差-90°时，朝负方向（反时针方向）动作（旋转）。

多轴同步、接口板间多轴同步

我公司的运动控制接口板能够对多个轴之间的同时开始/停止进行同步控制。此外，连接专用的同步控制线缆，最多可进行16块（128个轴）的同步控制。使用8轴接口板时，还可以4轴为单位分组。

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限位输入

这是检测电机（小车)停止点、减速点、原点等的功能。能够实现高精度的定位控制。

+LIM / -LIM (方向限位): + 为顺时针方向，-为反时针方向

这是检测界限位置的输入信号。分别将+LIM和-LIM安装在正负界限位置，在电机的转向为CW(顺时针方向）时和CCW(反时针方向）时，防止电机超过界限位置旋转。小车一旦达到该位置，不管处于何种动作状态，电机立即停止。

之后，只要限位还在起作用，即使向同一方向再发出动作指示(命令），电机也不会超过限位位置动作。向反方向下达动作指令，电机才可以开始再次移动(旋转)。

+SD / -SD(方向减速): ＋为顺时针方向，－为反时针方向。

SD是检测电机高速旋转中(加减速动作时)开始减速的位置的限位输入。高速动作（移动)的小车在此位置开始减速，降到开始速度后停止。

ORG(原点限位)

这是检测各动作的基准——原点——的开关输入。可通过软件设置逻辑方向。根据设置，当有信号输入时停止。

报警编码

在驱动单元发生报警信号的同时，还会送出报警编码。报警编码表示发生报警的原因。应用系统能够接收这类报警编码，因此通过将与各种报警编码相当于的（应急）处置方法输出到画面上，操作人员可以迅速地进行（应急）处置。

报警清除信号

伺服电机和步进电机的驱动单元为了进行过负荷、过压、过热保护，有时会停止电机。此时，由驱动单元向接口板（应用）发出报警信号。一旦收到报警信号，也会停止同步设置的轴的动作。如果应用收到报警信号，需要切断系统进行处置，解除报警信号。这时，将发出报警清除信号。

保持解除信号

在步进电机进行定位时，为了保持停止状态。利用保持解除信号。在接口板内部，当电机动作时（自动）断开（不保持）保持信号，当电机停止时接通（保持）保持信号。

偏差计数清除信号

伺服电机的驱动单元内部具有偏差计数器，其作用是计数输入脉冲和反馈脉冲的偏差。如果脉冲输入驱动器，在计数器内累计脉冲个数（累积脉冲），电机一旦旋转，反馈信号使计数器内累计的脉冲个数进行减法运算，为使累积的脉冲个数趋于0而进行定位控制。进行原点复位动作时，检出原点立即使电机停止，因此偏差计数器内有可能会残留累积脉冲。在此时，对驱动单元设置偏差计数器清除信号，彻底地完成原点复位。

PTP动作

PTP动作是指从某一地点向别的地方移动（Point To Point）的动作。用于简单的定位控制。我公司的运动控制接口板可在动作中的任何时刻，更改停止位置。右图表示在加速、恒速动作中，将新数据改为远离最初的目标位置的情形。例如，从开始位置指定3,000个脉冲的位置，正在移动中，此时不必停止电机，就可以改为5,000个脉冲的位置。

JOG动作