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探析運動(dòng)控制新技術(shù)
摘要 ： 信息時(shí)代的高新技術(shù)推動(dòng)了傳統產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在機械工業(yè)自動(dòng)化中出現了一些運動(dòng)控制新技術(shù)：全閉環(huán)交流伺服驅動(dòng)技術(shù)、直線(xiàn)電機驅動(dòng)技術(shù)、可編程計算機控制器、運動(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)以及應用現狀等。關(guān)鍵詞：伺服驅動(dòng)技術(shù)，直線(xiàn)電機，可編程計算機控制器，運動(dòng)控制
1 引言
信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)系統結構都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機械裝置和動(dòng)力設備相結合，促使機械工業(yè)開(kāi)始了一場(chǎng)大規模的機電一體化技術(shù)革命。
隨著(zhù)計算機技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家的機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車(chē)、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(mén)類(lèi)產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機電一體化技術(shù)已越來(lái)越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著(zhù)極大的作用。
在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運動(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，國內外各個(gè)廠(chǎng)家相繼推出運動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅動(dòng)技術(shù)（Full Closed AC Servo）、直線(xiàn)電機驅動(dòng)技術(shù)（Linear Motor Driving）、可編程序計算機控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運動(dòng)控制卡（Motion Controlling Board）等幾項具有代表性的新技術(shù)。
2 全閉環(huán)交流伺服驅動(dòng)技術(shù)
在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統的應用越來(lái)越廣泛，其中數字式交流伺服系統更符合數字化控制模式的潮流，而且調試、使用十分簡(jiǎn)單，因而被受青睞。這種伺服系統的驅動(dòng)器采用了先進(jìn)的數字信號處理器（Digital Signal Processor, DSP），可以對電機軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅動(dòng)器和電機之間構成位置和速度的閉環(huán)控制系統，并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力，自動(dòng)完成整個(gè)伺服系統的增益調節，甚至可以跟蹤負載變化，實(shí)時(shí)調節系統增益；有的驅動(dòng)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(diǎn)，并通過(guò)陷波濾波方式消除機械共振。
一般情況下，這種數字式交流伺服系統大多工作在半閉環(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(dòng)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(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)現全閉環(huán)控制。比較傳統的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來(lái)完成（大多數全閉環(huán)的機床數控系統就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統的推廣。目前，國外已出現了一種更完善、可以實(shí)現更高精度的全閉環(huán)數字式伺服系統 ， 使得高精度自動(dòng)化設備的實(shí)現更為容易。其控制原理如圖1所示。
該系統克服了上述半閉環(huán)控制系統的缺陷，伺服驅動(dòng)器可以直接采樣裝在最后一級機械運動(dòng)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(shí)僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統就可以消除機械傳動(dòng)上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補償機械傳動(dòng)件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實(shí)現真正的全閉環(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(dòng)器來(lái)完成，無(wú)需增加上位控制器的負擔，因而越來(lái)越多的行業(yè)在其自動(dòng)化設備的改造和研制中，開(kāi)始采用這種伺服系統。
3 直線(xiàn)電機驅動(dòng)技術(shù)
直線(xiàn)電機在機床進(jìn)給伺服系統中的應用，近幾年來(lái)已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區掀起"直線(xiàn)電機熱"。
在機床進(jìn)給系統中，采用直線(xiàn)電動(dòng)機直接驅動(dòng)與原旋轉電機傳動(dòng)的最大區別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動(dòng)環(huán)節，把機床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(cháng)度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱(chēng)為"零傳動(dòng)"。正是由于這種"零傳動(dòng)"方式，帶來(lái)了原旋轉電機驅動(dòng)方式無(wú)法達到的性能指標和優(yōu)點(diǎn)。
1. 高速響應 由于系統中直接取消了一些響應時(shí)間常數較大的機械傳動(dòng)件（如絲杠等），使整個(gè)閉環(huán)控制系統動(dòng)態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。
2. 精度 直線(xiàn)驅動(dòng)系統取消了由于絲杠等機械機構產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補運動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統滯后帶來(lái)的跟蹤誤差。通過(guò)直線(xiàn)位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。
3. 動(dòng)剛度高 由于"直接驅動(dòng)"，避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動(dòng)滯后現象，同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。
4. 速度快、加減速過(guò)程短 由于直線(xiàn)電動(dòng)機最早主要用于磁懸浮列車(chē)（時(shí)速可達500Km/h），所以用在機床進(jìn)給驅動(dòng)中，要滿(mǎn)足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度（要求達60～100M/min或更高）當然是沒(méi)有問(wèn)題的。也由于上述"零傳動(dòng)"的高速響應性，使其加減速過(guò)程大大縮短。以實(shí)現起動(dòng)時(shí)瞬間達到高速，高速運行時(shí)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(dòng)的最大加速度一般只有0.1～0.5g。5. 行程長(cháng)度不受限制 在導軌上通過(guò)串聯(lián)直線(xiàn)電機，就可以無(wú)限延長(cháng)其行程長(cháng)度。
6. 運動(dòng)動(dòng)安靜、噪音低 由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機械摩擦，且導軌又可采用滾動(dòng)導軌或磁墊懸浮導軌（無(wú)機械接觸），其運動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。
7. 效率高 由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節，消除了機械摩擦時(shí)的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。
直線(xiàn)傳動(dòng)電機的發(fā)展也越來(lái)越快，在運動(dòng)控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運動(dòng)控制相對發(fā)達的國家已開(kāi)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(xiàn)電機和SERVOSTAR CD系列數字伺服放大器構成一種典型的直線(xiàn)永磁伺服系統，它能提供很高的動(dòng)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(wú)差運動(dòng)；德國西門(mén)子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開(kāi)始在其產(chǎn)品中應用直線(xiàn)電機。
4 可編程計算機控制器技術(shù)
自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器（Programming Logical Controller，PLC）問(wèn)世以來(lái)，PLC控制技術(shù)已走過(guò)了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著(zhù)近代計算機技術(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。
與傳統的PLC相比較，PCC最大的特點(diǎn)在于它類(lèi)似于大型計算機的分時(shí)多任務(wù)操作系統和多樣化的應用軟件的設計。傳統的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監控程序
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