運動(dòng)控制使用一些設備如液壓泵、線(xiàn)性執行機或者是電機來(lái)控制機器的位置和速度，它被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和機械制造工業(yè)中。一個(gè)運動(dòng)控制系統的基本架構組成包括：一個(gè)運動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)（期望輸出）和閉合位置反饋環(huán)；一個(gè)驅動(dòng)或放大器用以將來(lái)自運動(dòng)控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉換為更高功率的電流或電壓信號；一個(gè)執行器如液壓泵、氣缸、線(xiàn)性執行機或電機用以輸出運動(dòng)；一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器，旋轉變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執行器的位置到位置控制器，以實(shí)現和位置控制環(huán)的閉合。

這些機構構架隨著(zhù)科技的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了越來(lái)越大的變化，并直接推動(dòng)了運動(dòng)技術(shù)的更廣泛應用。

各位能否就以下問(wèn)題進(jìn)行深入探討：

（1）目前實(shí)現更加控制精度的難點(diǎn)在于哪個(gè)部件？該如何解決。

（2）目前的變頻伺服是否會(huì )成為運動(dòng)控制的主流？它有什么局限性？

（3）執行器的機械精度該如何解決？

山東大學(xué)  劉宗 教授

1.應用在各個(gè)領(lǐng)域的典型運動(dòng)控制系統主要由運動(dòng)控制器、驅動(dòng)器、執行機構、機械傳動(dòng)機構和反饋裝置構成。

(1)運動(dòng)控利器響應閉環(huán)信號和接受控制系統的定位請求信號，將分析、計算所得出的運動(dòng)命令以數字脈沖信號或模擬量的形式送到電機驅動(dòng)器中。運動(dòng)控制器通常是運動(dòng)控制卡、具有運動(dòng)控制功能的PLC、數控系統(CNC)或單片機系統等。

(2)驅動(dòng)器其功能是進(jìn)行功率變換，驅動(dòng)電機根據上位控制指令轉動(dòng)。

(3)執行機構運動(dòng)控制系統中常用的執行機構一般為步進(jìn)電機、數字式交流伺服電祝和童流伺服電視等，其優(yōu)點(diǎn)是受控性能好，精度高。

(4)反饋裝置其作用是將檢測到的位置或速度反饋到控制器或驅動(dòng)器中，構成閉環(huán)或全閾環(huán)控制，其檢測元件有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵尺、磁尺及激光干涉儀等。

難點(diǎn)在于執行器的精度提高，如絲杠等機械傳動(dòng)誤差，被控單元之聞?wù)麄€(gè)機械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，執行器的動(dòng)作誤差等，運動(dòng)控制系統執行電機一般采用步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制方便，結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是他的機械傳動(dòng)誤差不經(jīng)過(guò)反饋校正，位置控制精度不高。

一個(gè)運動(dòng)控制系統主要的性能指標一般為：動(dòng)態(tài)響應的快速性、穩態(tài)跟蹤的高精度以及行為的魯棒性。這些指標是一個(gè)統一的整體，是實(shí)現一個(gè)運動(dòng)控制系統的關(guān)鍵技術(shù)所在。定位精度是控制系統的一個(gè)重要指標。

定位精度是評價(jià)位置伺服系統位置控制準確度的性能指標，系統最終定位點(diǎn)與指令目標值間的靜止誤差定義為系統的定位精度。伺服系統在低速情況下實(shí)現平穩進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區”范圍，“死區”指的是由于靜摩擦力的存在使系統在很小的輸入下，電機克服不了這摩擦力而不能轉動(dòng)。此外，還由于存在機械間隙，電機雖然轉動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現象也可用死區來(lái)表達。

解決方法：

首先是提高執行器的執行精度，還有就是提高控制器的控制精度。

利用位置反饋比較控制，可獲得較大的定位精度，大部分機械傳動(dòng)環(huán)節包括在系統閉環(huán)環(huán)路內，因此可獲得較穩定的控制特性。絲杠等機械傳動(dòng)誤差不能通過(guò)反饋校正，但可采用軟件補償償的方法來(lái)適當提高其精度；全閉環(huán)控制系統是采用光柵等檢測元件對被控對象進(jìn)行位置檢測，可以消除從電機到被控單元之聞?wù)麄€(gè)機械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，得到很高的靜態(tài)定位精度。

2.運動(dòng)控制系統就執行元件電動(dòng)機而言，交直流兩大分支一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，伴隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著(zhù)電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，電機及控制技術(shù)不斷完善。19 世紀80 年代以前，直流電機拖動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。19 世紀末，交流電機的發(fā)明使用，使交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中得到了逐步廣泛的應用。隨著(zhù)生

產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對起制動(dòng)、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應等方面都提出了更高的要求，這時(shí)又開(kāi)始使用直流調速系統；但由于直流調速本身存在的弱點(diǎn)，人們開(kāi)始了新一輪交流調速系統的研究。近幾十年來(lái)隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現代控制理論的發(fā)展，為交流調速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng )造了有利的條件，使交流

調速逐步具備了寬調速范圍、高穩速精度、快速動(dòng)態(tài)響應和四象限運行等良好的技術(shù)性能，并實(shí)現了產(chǎn)品的系列化，目前交流調速系統已逐步占據了主導地位。目前，在中小功率范圍內，高性能的交流伺服系統的交流電動(dòng)機主要采用永磁同步電動(dòng)機。

伺服系統將電力電子器件、控制、驅動(dòng)及保護等集為一體，并隨著(zhù)數字脈寬調整技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。

由于具有伺服系統一般由位置控制、速度控制組成，通常將位置控制部分與數控裝置做在一起。伺服驅動(dòng)裝置按其結構特點(diǎn)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。數控機床的功能強弱取決于NC 裝置，而其性能好壞、取決于伺服驅動(dòng)系統。伴隨著(zhù)數控系統的發(fā)展，數控系統的伺服驅動(dòng)技術(shù)也得到了相應的發(fā)展，從電液脈沖馬達、功率步進(jìn)電動(dòng)機發(fā)展到高性能交、直流伺服電動(dòng)機驅動(dòng)系統。特別是高性能交流電動(dòng)機伺服系統代表了當前伺服驅動(dòng)系統的發(fā)展方向。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)，微機及數字信號處理技術(shù)和現代控制理論的應用，為伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。近年來(lái)智能控制的多種策略，均被引入伺服系統中。高性能智能化交流伺服系統的研究是智能數控系統技術(shù)發(fā)展的前沿。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、專(zhuān)家系統、模糊邏輯及遺傳算法等人工智能系統與現代交流伺服控制理論方法相結合，研究適合高性能智能化交流伺服系統的控制方法：分層遞階智能控制、定性與定量控制的協(xié)調方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習算法、智能容錯魯棒控制器設計及智能控制的穩定性分析方法。使交流伺服系統的性能達到快響應、高精度、魯棒性及高可靠性智能化的目標，并能在高精度數控系統中得到應用。

交流伺服控制有模擬式、數?；旌鲜胶腿珨底质街?。模擬交流伺服系統，由于控制信號是連續的，工作速度很快，系統的頻率可以做得很寬，這使系統具有快速的動(dòng)態(tài)響應性能和很寬的調速范圍，控制系統內部和輸出狀態(tài)及其變化容易通過(guò)儀表觀(guān)察和記錄。但另一方面，模擬伺服系統是由模擬電子器件構成的系統，難以實(shí)現復雜的控制方法；由于電子器件特性的分散性，使系統的調整困難，而且模擬器件的工作狀態(tài)極易受溫度影響而產(chǎn)生漂移，破壞已調整好的運行狀態(tài)。系統缺乏豐富的自診斷和顯示功能，在整機聯(lián)調時(shí)不能方便地判斷系統中的問(wèn)題。此種方式正逐漸被淘汰。數?；旌鲜浇涣魉欧到y中，一般采用工控機、單片機和DSP來(lái)完成位置和速度控制，由于受CPU運算速度的限制，伺服系統中響應最快的電流環(huán)控制仍由模擬電路完成，從交流伺服系統控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，混合式交流伺服系統技術(shù)比較成熟，在許多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應用，仍是目前伺服裝置產(chǎn)品的主流。

變頻器只是一個(gè)V-F轉換，用于控制電機的一個(gè)器件。而伺服是一個(gè)閉環(huán)的系統。簡(jiǎn)單說(shuō)變頻器主要控制電機的轉速。伺服是既可以控制速度，又可以控制位置和移動(dòng)量，力距，定位，從而達到精確、穩定，不會(huì )因變頻而產(chǎn)生死機。伺服不僅能達到以上的功能，而且產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)的系統，從而避免變頻器產(chǎn)生的輻射。變頻器在變頻過(guò)程中還會(huì )產(chǎn)生大量熱量，造成溫度的提高與聲音，而伺服系統是不會(huì )產(chǎn)生這樣的后果。所以說(shuō)伺服系統的達到的效果是變頻電機無(wú)法比擬的。

變頻只是伺服的一個(gè)部分，伺服是在變頻的基礎上進(jìn)行閉環(huán)的精確控制從而達到更理想的效果。

局限性：由于變頻伺服成本價(jià)格高，往往只有高端產(chǎn)品才用變頻伺服系統。