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運(yùn)動(dòng)控制新技術(shù)
摘要 ： 信息時(shí)代的高新技術(shù)推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化中出現(xiàn)了一些運(yùn)動(dòng)控制新技術(shù)：全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡等。本文主要分析和綜述了這些新技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀等。關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直線電機(jī)，可編程計(jì)算機(jī)控制器，運(yùn)動(dòng)控制
1 引言
信息時(shí)代的高新技術(shù)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(jī)械工業(yè)，在這場新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)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(qiáng)企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Linear Motor Driving）、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運(yùn)動(dòng)控制卡（Motion Controlling Board）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。
2 全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)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(diào)試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor, DSP），可以對電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)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(yùn)算能力，自動(dòng)完成整個(gè)伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負(fù)載變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動(dòng)器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設(shè)備的機(jī)械共振點(diǎn)，并通過陷波濾波方式消除機(jī)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(jī)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(dòng)鏈上的間隙及誤差不能克服或補(bǔ)償。為了獲得更高的控制精度，應(yīng)在最終的運(yùn)動(dòng)部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實(shí)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(jī)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(shí)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(dòng)化設(shè)備的實(shí)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(qū)動(dòng)器可以直接采樣裝在最后一級機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機(jī)上的編碼器反饋此時(shí)僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動(dòng)上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實(shí)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(qū)動(dòng)器來完成，無需增加上位控制器的負(fù)擔(dān)，因而越來越多的行業(yè)在其自動(dòng)化設(shè)備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。
3 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)
直線電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起"直線電機(jī)熱"。
在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱為"零傳動(dòng)"。正是由于這種"零傳動(dòng)"方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。
1. 高速響應(yīng) 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲杠等），使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。
2. 精度 直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)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(jī)床的定位精度。
3. 動(dòng)剛度高 由于"直接驅(qū)動(dòng)"，避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。
4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車（時(shí)速可達(dá)500Km/h），所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度（要求達(dá)60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述"零傳動(dòng)"的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停�？色@得較高的加速度，一般可達(dá)2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動(dòng)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(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無限延長其行程長度。
6. 運(yùn)動(dòng)動(dòng)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。
7. 效率高 由于無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。
直線傳動(dòng)電機(jī)的發(fā)展也越來越快，在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制相對發(fā)達(dá)的國家已開始推廣使用相應(yīng)的產(chǎn)品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的 PLATINNM DDL系列直線電機(jī)和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(yùn)動(dòng)；德國西門子公司、日本三井精機(jī)公司、臺(tái)灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應(yīng)用直線電機(jī)。
4 可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)
自20世紀(jì)60年代末美國第一臺(tái)可編程序控制器（Programming Logical&
nbsp;Controller，PLC）問世以來，PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，它已在軟硬件技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)走出了當(dāng)初的"順序控制"的雛形階段�？删幊逃�(jì)算機(jī)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(diǎn)在于它類似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運(yùn)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(dǎo)致了PLC的"控制速度"依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實(shí)時(shí)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(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應(yīng)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(shí)時(shí)控制的要求。當(dāng)然，這種控制周期可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際要求，任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，給工程項(xiàng)目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因?yàn)檫@樣可以方便地按照控制項(xiàng)目中各部分不同的功能要求，如運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)），這些模塊既獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨(dú)立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運(yùn)行，共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制要求。
PCC在工業(yè)控制中強(qiáng)大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流，雖然這還是一項(xiàng)較為年輕的技術(shù)，但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?br />
5 運(yùn)動(dòng)控制卡
運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于工業(yè)PC機(jī) 、 用于各種運(yùn)動(dòng)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?yàn)椋海?）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設(shè)備（如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件平臺(tái)；（3）PC機(jī)在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機(jī)的強(qiáng)大功能。
運(yùn)動(dòng)控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動(dòng)控制核心，大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。一般地 ， 運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作 （ 例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號的檢測等等）。運(yùn)動(dòng)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(tái)下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運(yùn)動(dòng)控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。
這種運(yùn)動(dòng)控制模式在國外自動(dòng)化設(shè)備的控制系統(tǒng)中比較流行，運(yùn)動(dòng)控制卡也形成了一個(gè)獨(dú)立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運(yùn)動(dòng)控制卡。在國內(nèi)相應(yīng)的產(chǎn)品也已出現(xiàn)，如成都步進(jìn)機(jī)電有限公司的DMC300系列卡已成功地應(yīng)用于數(shù)控打孔機(jī)、汽車部件性能試驗(yàn)臺(tái)等多種自動(dòng)化設(shè)備上。
6 結(jié)束語
計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)著工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了諸如全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡等許多先進(jìn)的實(shí)用技術(shù)，為開發(fā)和制造工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提供了高效率的手段。這也必將促使我國的機(jī)電一體化技術(shù)水平不斷提高。
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