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运动控制

利用有时间曝光/延时机能的数位单反相机拍摄的夜空影片。摄影者将相机装在一个电脑化的望远镜,追踪一个垂直于赤道轴的固定方向,也就是相机运动(运动控制)机能

运动控制(Motion control)是自动化技术的一部分,是指让系统中的可动部分以可控制的方式移动的系统或是子系统。运动控制中的主要元件会包括运动控制器(motion controller)、功率放大装置、以及原动机(prime mover)或致动器。运动控制可以是没有运动讯号回授的开回路控制,也可以配合运动讯号回授,进行闭回路控制。在开回路系统中,控制器会透过功率放大装置传送讯号到原动机或致动器,但无法知道致动器是否有达到预期进行的动作。典型的系统包括步进马达或是风扇控制。若是要求准确度更高的系统,会在系统中加入量测设备(一般会在致动器端,或是致动器要到达的目的端)。再将量测结果转换成信号,送进控制器中,由控制器再调整致动器的动作,使致动器的动作和预期进行的动作之间的误差降到最小,这就是闭回路控制。

机器的位置或是速度一般会由液压泵英语hydraulic pump线性致动器英语linear actuator或是电动马达(例如servo英语servomechanism)之类的设备所控制。运动控制是机器人CNC机床的一部分,而其中的运动控制会比较复杂。若是一般固定用途的机器,其运动学会比较简单,这类的控制会称为通用运动控制(GMC)。运动控制常用在包装、印刷、纺织、半导体器件制造及生产线。

运动控制包括了所有和物体移动有关的科技,其系统最小有小到微型的系统,例如硅基的微感应致动器,最大则到到太空船的发射。不过现今运动控制主要着重在配合电动致动器(例如交流或是直流的伺服马达)的运动控制系统。机器手臂的控制也是运动控制中的一环,因为大部分的机器手臂都是由伺服马达所控制,而其主要目的也是在运动控制。

简介

运动控制系统的基本架构会包括以下几项:

  • 运动控制器(motion controller)可以产生控制目标(理想的输出或是运动廓线),或是闭环控制系统中要配合位置或是速度回授形成回授控制
  • 驱动器或是放大器可以将运动控制器的控制信号转换为可以提供给致动器的能量。较新型的“智能性”驱动器可以利用驱动器进行速度控制或是位置控制,因此控制可以更加的精准。
  • 原动机或是致动器,例如液压泵浦英语hydraulic pump液压缸线性致动器英语linear actuator或是马达可以实际使物体移动的设备。
  • 若是闭回授控制,会需要许多的感测器(如旋转编码器解角器或是霍尔元件将致动器的位置或是速度的资讯传送回控制器或是驱动器,才能达成回授控制。
  • 机械元件让致动器的输出转换为实际需要的输出,机械元件有齿轮、驱动轴、滚珠螺杆驱动皮带连杆机构以及线性或是旋转的轴承

若是需要各运动控制器协同动作,运动控制器和其致动器之间的界面非常重要,有良好界面才能达到不同运动控制器的同步。最早期的界面只有类比讯号,后来也有使用脉冲信号,后来有许多运动控制的工业通讯协定,最早用在运动控制上的是1991年的SERCOS英语SERCOS interface,现在已提升为SERCOS III英语SERCOS III。其他常用的通讯协定有MODBUSEtherNet/IP Profinet IRTEthernet PowerlinkEtherCAT

常见的运动控制功能有:

  • 速度控制。
  • 位置控制:由上位控制器持续的提供位置命令,让系统的输出追随位置命令。
  • 点对点的位置控制:上位控制器只提供目的的位置,系统需自行计算运动的轨迹,有几种计算的方式,多半是依三角形、梯形或S曲线的运动速度廓线(velocity profile)为基础。
  • 压力、力或是力矩的控制。
  • 阻抗控制英语Impedance control:这类控制应用于和环境有交互作用,以及控制物体的情形下,例如机器人学。
  • 电子齿轮或是电子凸轮:从动轴的位置和主动轴位置之间的关系可以用数学函数来表示。简单的是一系统中有二个滚筒,但其转速需维持一定比例(即为电子齿轮)。电子凸轮的情形类似凸轮,从动轴的位置是主动轴位置的数学函数(例如主动轴150至180度时,从动轴从0度转至30度,180至210度时,从动轴从30度转至0度,主动轴在其他位置时,从动轴维持在0度的位置)。

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