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運動控制新技術
摘要 ： 信息時代的高新技術推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機械工業(yè)自動化中出現(xiàn)了一些運動控制新技術：全閉環(huán)交流伺服驅動技術、直線電機驅動技術、可編程計算機控制器、運動控制卡等。本文主要分析和綜述了這些新技術的基本原理、特點以及應用現(xiàn)狀等。關鍵詞：伺服驅動技術，直線電機，可編程計算機控制器，運動控制
1 引言
信息時代的高新技術流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場新技術革命沖擊下，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統(tǒng)結構都發(fā)生了質的躍變，微電子技術、微計算機技術的高速發(fā)展使信息、智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術革命。
隨著計算機技術、電子電力技術和傳感器技術的發(fā)展，各先進國家的機電一體化產(chǎn)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(yè)機器人、智能機器人等許多門類產(chǎn)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(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在機電一體化技術迅速發(fā)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(fā)展，國內外各個廠家相繼推出運動控制的新技術、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅動技術（Full Closed AC Servo）、直線電機驅動技術（Linear Motor Driving）、可編程序計算機控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運動控制卡（Motion Controlling Board）等幾項具有代表性的新技術。
2 全閉環(huán)交流伺服驅動技術
在一些定位精度或動態(tài)響應要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅動器采用了先進的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor, DSP），可以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(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調節(jié)，甚至可以跟蹤負載變化，實時調節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅動器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設備的機械共振點，并通過陷波濾波方式消除機械共振。
一般情況下，這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環(huán)，也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度，應在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統(tǒng)只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來完成（大多數(shù)全閉環(huán)的機床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng) ， 使得高精度自動化設備的實現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，伺服驅動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補償機械傳動件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅動器來完成，無需增加上位控制器的負擔，因而越來越多的行業(yè)在其自動化設備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。
3 直線電機驅動技術
直線電機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用，近幾年來已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起"直線電機熱"。
在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動與原旋轉電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式，帶來了原旋轉電機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。
1. 高速響應 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)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(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)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(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。
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(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停�？色@得較高的加速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5. 行程長度不受限制 在導軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。
6. 運動動安靜、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(huán)節(jié)，消除了機械摩擦時的能量損耗，傳動效率大大提高。
直線傳動電機的發(fā)展也越來越快，在運動控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運動控制相對發(fā)達的國家已開始推廣使用相應的產(chǎn)品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直線電機和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動態(tài)響應速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動；德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應用直線電機。
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（Programming Logical&
nbsp;Controller，PLC）問世以來，PLC控制技術已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計算機技術和微電子技術的發(fā)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�？删幊逃嬎銠C控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。
與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務操作系統(tǒng)和多樣化的應用軟件的設計。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)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(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導致了PLC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(tǒng)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(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實時控制的要求。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(tǒng)，PCC的應用程序由多任務模塊構成，給工程項目應用軟件的開發(fā)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(shù)據(jù)采集、報警、PID調節(jié)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(shù)據(jù)間又保持一定的相互關聯(lián)，這些模塊經(jīng)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(tǒng)的調度管理下并行運行，共同實現(xiàn)項目的控制要求。
PCC在工業(yè)控制中強大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計算機及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術互相融合的發(fā)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(fā)展?jié)摿Α?br />
5 運動控制卡
運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機 、 用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因為：（1）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設備（如包裝機械、印刷機械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；（3）PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應用，也促使配備相應的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地 ， 運動控制卡與PC機構成主從式控制結構：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作 （ 例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等）。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結構開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業(yè)中設備自動化的各個領域。
這種運動控制模式在國外自動化設備的控制系統(tǒng)中比較流行，運動控制卡也形成了一個獨立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運動控制卡。在國內相應的產(chǎn)品也已出現(xiàn)，如成都步進機電有限公司的DMC300系列卡已成功地應用于數(shù)控打孔機、汽車部件性能試驗臺等多種自動化設備上。
6 結束語
計算機技術和微電子技術的快速發(fā)展，推動著工業(yè)運動控制技術不斷進步，出現(xiàn)了諸如全閉環(huán)交流伺服驅動系統(tǒng)、直線電機驅動技術、可編程計算機控制器、運動控制卡等許多先進的實用技術，為開發(fā)和制造工業(yè)自動化設備提供了高效率的手段。這也必將促使我國的機電一體化技術水平不斷提高。
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