运动控制系统习题答案2015.12

运动控制系统习题答案 第一章

1. 运动控制划分为两大类：

(1) 位置变化问题 其特征是被控对象空间位置发生改变，我们称之为第一类运动控制问题。

(2) 周期式旋转速度变化问题 由于某一类物理量（如温度、压力、流量、转矩等）而迫使电机转速随负载的变化而变化，以满足温度、压力、流量、转矩等恒定的目的。我们把这类运动控制问题称为第二类运动控制问题。 2. 第一类运动控制问题

1）一维运动 一维运动形式分为两类：一是直线运动，二是旋转运动；此外，还可以是两类基本运动的复合。

2）二维运动 把两个一维直线运动平台互相垂直搭接在一起，就组成了一个二维运动平台。分为质点运动，复合运动，轮廓运动

3）三维运动 第一类为空间点对点的移动，可以是直线移动，也可以是旋转运动；第二类为复合移动，是在三个运动轴按照一定的复合比例所做的运动；第三类为空间轮廓线运动 3. 运动控制系统的轴 1) 运动轴 通常，我们把一个定义在直线段上移动的物体或者按照预定旋转方向旋转的物体定义为运动轴。轴一般分为两类：线性轴和旋转轴。 2) 线性轴

线性轴的定义为：只有初始位置和结束位置，而且轴的当前实际位置一定是在其初始位与结束位之间。

3) 旋转轴

一个周期式的旋转轴做圆周运动，其起始点是0°，完成一个循环之后，又重新回到0°。这种情况也称为模轴。

4. 运动控制系统有以下部分构成：运动控制器、驱动执行器、运动反馈单元等。 运动控制器主要由三大要素构成：轨迹生成器、插补器与控制回路。

5. 运动控制系统：运动控制系统是一个控制某些机器位置、速度、力或者压力的系统。例如，一套基于运动控制系统的电气机械系统是由运动控制器（系统的大脑）、驱动器（接收来自运动控制器的弱电指令信号，并且把相关指令信号变换成高电压/大电流的功率信号）、电机（其作用是把电能转换为机械能）、反馈装置（其作用是把受控信号反馈到运动控制器，运动控制器依据设定与反馈信号给出需要做出的调节量，直到系统达到期望的结果为止。 运动控制：

运动控制器：运动控制器就是根据期望的路径或者轨迹，计算并且产生输出命令，控制驱动放大器驱动执行器，从而完成相应的任务。运动控制器的复杂性是依据任务的复杂性而变化的，就伺服电机控制而言，典型的运动控制器通常由三个部分组成：轨迹生成器、插补器及控制回路。

轨迹生成器：轨迹生成器依据所希望的目标位、最大速度、加速度、减加速度及抖动计算移动路径的各个段设置特征点，并确定移动的三个主要阶段——加速度阶段、恒速度阶段和减加速度阶段花费了多少时间。 插补器：按照由轨迹生成器生成的设置特征点精确地计算出其空间位置。插补器的结果送给控制回路。

控制回路：根据所期望位置/速度与实际位置/速度之间的偏差，计算出误差信号。 步序发生器：按照所期望的运动路径精确地产生数字步序指令脉冲。

第二章

1. 什么是插补？常用的插补算法有哪两种？ 答：插补是在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。通常采用的形式有一次插补、二次插补或三次插补。

插补算法有：直线插补、圆弧插补、抛物线插补、样条插补、基准脉冲插补和数据采样插补。常用的插补算法有直线插补和圆弧插补。

2. 点位控制、直线控制和轮廓控制各有什么特点？ 点位控制：点位控制是实现从一个位置到另一个位置的精确控制。这种控制模式运动需求描述简单，控制容易。负载速度从零开始，加速到设定速度，稳定运行，然后减速至停止，起动加速和停止减速都是平滑的。 直线控制：直线控制是不仅要实现一个位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线运动或控制两个坐标轴实现斜线运动。

轮廓控制：轮廓控制不仅能实现从起点到终点的运动，而且能控制每一点的速度和位移量，强调走过的具体位置及精度。

3. 已知启动点是10，结束点是110，?max?10/s，?max?20/s2，求梯形曲线各特征点

时间。

解：梯形曲线如下图所示：

tacc?tdec??max/?max?10/20?0.5s

???end??start?110?10?100 tmax?tt?1000.5?acc?dec??2??10?0.5?9.5s?max22102

ttotal?tacc?tmax?tdec?0.5?9.5?0.5?10.5s4．已知加速时间和减速时间各为0.5 s，最大速度时间为7.5 s，?max =10 °/s, ?max =20 °/s2，求启动点和结束点？

5．已知?start = 20°，?end = 24°，?max =10 °/s，?max =20 °/s2，求出梯形曲线的特征点？ 答：tacc?tdec??max/?max=10/20=0.5s ???end??start?24?20?4

tmax??/?max?tacc/2?tdec/2??0.1s

由于时间不可能是负值，因此改变的是加速和减速时间

?12tacc?(?/?max)=0.447s ??maxtacc，22tmax= —0.347s

可见，速度不可能达到最大值，梯形曲线变化为三角形曲线。

7．已知起点坐标为A(2, 3)，终点坐标为B(9, 6)，请使用逐点比较法，计算插补过程，写出流程表。

答：步数=7+3=10,Xe=9,Ye=6 步数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 判别 Fi>0 Fi<0 Fi>0 Fi<0 Fi>0 Fi>0 Fi>0 Fi<0 Fi>0 Fi>0 插补方向 +x +y +x +y +x +x +x +y +x +x 偏差计算 F0=0 F1=F0-Ye=0-6=-6 F2=F1+Xe=-6+9=3 F3=F2-Ye=3-6=-3 F4=F3+Xe=-3+6=3 F5=F4-Xe=3+7=5 F6=F5-Ye=5-3=2 F7=F6-Ye=2-3=-1 F8=F7+Xe=-1+7=6 F9=F8-Ye=6-3=3 F10=F9-Ye=0 终点判别 Σ=10 Σ=9 Σ=8 Σ=7 Σ=6 Σ=5 Σ=4 Σ=3 Σ=2 Σ=1 Σ=0

13．运动控制器的硬件组成方式有哪几种？

答：有6种，包括基于微处理器MCU的技术，基于专用集成电路的技术，基于PC的技术，基于DSP的技术，基于可编程逻辑控制器的技术，基于多核处理器的技术。

14．基于MCU的运动控制器的特点是什么？

答：以8位或16位的MCU单片机技术为核心，再配以存储器电路，编码器信号处理电路及D/A、A/D电路，这类电路整体方案比较简单，可以实现一些简单的控制算法，具有一定的灵活性，能提供简单的人机界面管理。基于MCU技术的运动控制器主要目标对象还是简易型运动控制对象。

15．基于PC的运动控制器的特点是什么？

答：PC系统的硬件体系结构具有开放性，模块化，可嵌入的特点，为广大用户通过开发应用软件给数控系统追加功能和实现功能个性化提供了保证。PC的运动控制器的缺点是与专用运动控制系统相比实时性差，可靠性也不如专用运动系统高，对实际编程者的水平要求较高，尤其要利用PC进行高性能运动控制算法开发。PC的运动控制系统适合中高档，多用途的运动系统对象。

16．基于DSP的运动控制器的特点是什么？

答：DSP芯片拥有高速运算能力，它使复杂算法的实时性得到有效保证。

17．运动控制器的软件架构是什么？

答：运动控制系统软件架构体系，其四大部分为主监视进程、人机交互进程、运动控制进程和运动驱动进程。

第三章

1．执行器的作用是什么？

答：运动控制系统具体完成运动的基本元件。 2．执行器的分类有哪些？各自的特点是什么？

答：1）按照动力来源分：电动执行器、液压执行器、气动执行器和新型微机电执行器。

2）按照运动部件结构特征分：缸类执行器、马达类执行器。

3）按照运动轨迹特征分：直线型执行器、旋转型执行器（位移式、周期式、往复式） 4）新型执行器：压电执行器、记忆合金执行器、电致聚合分子执行器等。 3．缸类执行器的运动特点是什么？ 答：实现直线往复运动或摆动。 4．马达类执行器的特点是什么？ 答：实现连续回转运动。 5．新型执行器有哪些类型？

答：按照新型执行器的主要驱动方式及其对应材料分，有电力型执行器（静电/压电/电致伸缩/凝胶/电流变体）、磁力型执行器（磁力/磁致伸缩）、热力型执行器（SMA/双金属/热气动）、光能型执行器和化学型执行器等；按照驱动材料与驱动结构的关系分，有机械微结构型和可变形微结构型。

6．执行器的设计原则是什么？执行器的设计步骤是什么？

执行器的设计原则是：在系统运动功能分析的基础上，设计出结构简单的执行器。

经典的执行器设计步骤为：①选择机械传动连接形式，确定转动惯量；②确定运动方程式和运动轨迹曲线；③计算选择合适的电机和驱动功率单元（驱动器）。

第四章

1．不可逆PWM直流调速控制器主电路的特点是什么？试利用时序图进行分析。

答：简单的不可逆PWM变换器的主电路原理图如下图所示。该电路采用全控式电子晶体管，开关频率可达20 kHz甚至更高，电源电压Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容器C滤波，二极管VD在晶体管VT关断时释放电感储能为电枢回路续流。下面分析其运行特点。

图1 简单的不可逆PWM变换器的主电路

Us—直流电源 电压；C—滤波电容器；VT—功率开关器件；VD—续流二极管；M—直

流电机 1) 电压和电流波形

(1) 在一个开关周期T内。 (2) 当0 ≤ t < ton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电机电枢两端。 (3) 当ton ≤ t < T时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电机电枢电压等于零。

1.1 带制动的不可逆PWM变换器

1) 电动状态下运行（第一象限运行）

(1) Ug1的正脉冲比负脉冲宽，id始终为正。当0≤t?ton时，VT1饱和导通，VT2截止，电流沿回路1流通。

(2) 当ton≤t?T时，VT1截止，VD2续流，电流沿回路2流通。VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终截止。其工作波形如下所示。

带制动的不可逆PWM变换器工作波形

2) 制动状态下运行（第二象限）

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