運動控制技術的新發展

1.引言 

 
隨著計算機電子電力和傳感器技術的發展，各先進國家機電一體化產品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業機器人、智能機器人等許多門類產品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方面的關注，它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業競爭力等方面起著極大的作用。 

在機電一體化技術迅速發展的同時，運動控制技術作為其關鍵組成部分，也得到前所未有的大發展，各廠家相繼推出運動控制的新技術、新產品。本文主要介紹全閉環交流伺服驅動（Full Closed AC Servo）、直線電機驅動（Linear Motor Driving）、可編程序計算機控制器（Programmable Computer Controller，PCC）等幾項具有代表性的新技術。 

　 

2.全閉環交流伺服驅動技術 



在一些定位精度或動態響應要求比較高的機電一體化產品中，廣泛使用數字式交流伺服系統。這種伺服系統的驅動器對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，在驅動器和電機之間構成位置和速度的閉環控制系統。位置控制分辨高，可靠性好。 


通常帶位置環的伺服系統，位置環的反饋采樣取自伺服電機的編碼器，對于傳動鏈上的間隙及誤差還不能補償克服，只能形成半閉環的位置控制系統。松下公司新近推出了一種更完善、可以實現更高精度的全閉環全數字式伺服系統，其控制原理如圖1所示。 
                                                            
該系統克服了上述半閉環系統的缺陷，位置環的采樣可以直接采自裝在最后一級機械上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉編碼器等)，而電機上的編碼器此時僅作為速度環的反饋，這樣就可以消除機械上存在的一切間隙，并且該伺服系統還可以對機械傳動上出現的誤差進行補償，達到真正全閉環的功能，實現高精度的位置控制。而且這種全閉環控制均由驅動器來完成，無需增加上位控制器的負擔。 

由于采用全閉環交流伺服系統能獲得極高的定位精度，而不需增加上位控制系統的復雜程度。所以它廣泛應用于數控機床、臺鉆機等高精度數控設備。 

3.直線電機驅動技術 

直線電動機在機床進給伺服系統中的應用，近幾年來已在世界機床行業得到重視，并在西歐工業發達地區掀起“直線電動機熱”。 

在機床進給系統中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電動機傳動的最大區 

別是取消了從電動機到工作臺（拖板）之間的一切機械中間傳動環節，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。這種傳動方式被稱為“零傳動”。正由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和一定優點。 

（1） 高速響應 由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的如絲杠等機械傳動件，使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。 

（2） 精度 直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構引起的傳動誤差減少了插補時因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。 

（3） 動剛度高 由于“直接驅動”，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象，同時提高了其傳動剛度。 

（4）速度快、加減速過程短 由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度（要求達60～100M/min或更高）當然是沒有問題的。也由于上述零傳動的高速響應性，使其加減速過程大大縮短。以實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度，一般可達（2～10）g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度只有（0.1～0.5）g. 

（5）行程長度不受限制 在導軌上通過串聯直線電機，就可以無限延長其行程長度。 

（6） 動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。 

（7） 效率高 由于無中間傳動環節，消除了機械摩擦時的能量損耗。科爾摩根PLATINNM DDL系列直線電機和SERVOSTAR CD系列數字伺服放大器構成一種典型的直線永磁伺服系統，它能提供很高的動態響應速度和加速度、極高的剛度、高的定位精度和平滑的無差運動。 

4.可編程計算機控制器技術 

自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器PLC問世以來，PLC控制技術已走過了30年的發展歷程，尤其是隨著近代計算機技術和微電子技術的發展，它已在軟硬件技術方面遠遠走出了當初的“順序控制”的雛形階段。可編程計算機控制器（PCC）就是代表這一發展趨勢的新一代可編程控制器。 

與常規的PLC相比較，PCC最大的特點在于其類似于大型計算機的分時多任務操作系統和多樣化的應用軟件的設計。常規的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態采集與刷新。這樣處理，直接導致了真正意義上的“控制速度”依賴于應用程序的大小，這一結果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統軟件完美地解決了這一問題，它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關，而是由操作系統的循環周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，滿足了真正實時控制的要求。當然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改。 

基于這樣的操作系統，PCC的應用程序由多任務模塊構成，給項目應用軟件的開發帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求，如運動控制、數據采集，報警，PID調節運算，通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務），這些模塊既獨立運行，數據間又保持一定的相互關聯，這些模塊經過分步驟的獨立編制和調試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務操作系統的調度管理下并行運行，共同實現項目的控制要求。 

PCC在工業控制中強大的功能優勢，體現了可編程控制器與工業控制計算機及DCS（分布式工業控制系統）技術互相融合的發展潮流，雖然這還是一項較為年輕的技術，但在其越來越多的應用領域中，它正日益顯示出不可低估的發展潛力。 

5.結束語 

科學技術的迅猛發展，特別是計算機技術和微電子技術的發展，促使運動控制技術不斷進步，這必將使我國的機電一體化技術水平不斷提高。