運(yùn)動(dòng)控制使用一些設(shè)備如液壓泵、線性執(zhí)行機(jī)或者是電機(jī)來(lái)控制機(jī)器的位置和速度，它被廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織和機(jī)械制造工業(yè)中。一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)組成包括：一個(gè)運(yùn)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(qū)動(dòng)或放大器用以將來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)（通常是速度或扭矩信號(hào)）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)；一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)；一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

這些機(jī)構(gòu)構(gòu)架隨著科技的發(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(yùn)動(dòng)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

各位能否就以下問(wèn)題進(jìn)行深入探討：

（1）目前實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)控制的主流？它有什么局限性？

（3）執(zhí)行器的機(jī)械精度該如何解決？

山東大學(xué)  劉宗 教授

1.應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成。

(1)運(yùn)動(dòng)控利器響應(yīng)閉環(huán)信號(hào)和接受控制系統(tǒng)的定位請(qǐng)求信號(hào)，將分析、計(jì)算所得出的運(yùn)動(dòng)命令以數(shù)字脈沖信號(hào)或模擬量的形式送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。運(yùn)動(dòng)控制器通常是運(yùn)動(dòng)控制卡、具有運(yùn)動(dòng)控制功能的PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機(jī)系統(tǒng)等。

(2)驅(qū)動(dòng)器其功能是進(jìn)行功率變換，驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)上位控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為步進(jìn)電機(jī)、數(shù)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(cè)到的位置或速度反饋到控制器或驅(qū)動(dòng)器中，構(gòu)成閉環(huán)或全閾環(huán)控制，其檢測(cè)元件有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺及激光干涉儀等。

難點(diǎn)在于執(zhí)行器的精度提高，如絲杠等機(jī)械傳動(dòng)誤差，被控單元之聞?wù)麄€(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，執(zhí)行器的動(dòng)作誤差等，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是他的機(jī)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)一般為：動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、穩(wěn)態(tài)跟蹤的高精度以及行為的魯棒性。這些指標(biāo)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，是實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在。定位精度是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。

定位精度是評(píng)價(jià)位置伺服系統(tǒng)位置控制準(zhǔn)確度的性能指標(biāo)，系統(tǒng)最終定位點(diǎn)與指令目標(biāo)值間的靜止誤差定義為系統(tǒng)的定位精度。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍，“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現(xiàn)象也可用死區(qū)來(lái)表達(dá)。

解決方法：

首先是提高執(zhí)行器的執(zhí)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(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。絲杠等機(jī)械傳動(dòng)誤差不能通過(guò)反饋校正，但可采用軟件補(bǔ)償償?shù)姆椒▉?lái)適當(dāng)提高其精度；全閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用光柵等檢測(cè)元件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行位置檢測(cè)，可以消除從電機(jī)到被控單元之聞?wù)麄€(gè)機(jī)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)就執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)而言，交直流兩大分支一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)及控制技術(shù)不斷完善。19 世紀(jì)80 年代以前，直流電機(jī)拖動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。19 世紀(jì)末，交流電機(jī)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(yīng)用。隨著生

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

調(diào)速逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，目前交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。目前，在中小功率范圍內(nèi)，高性能的交流伺服系統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)主要采用永磁同步電動(dòng)機(jī)。

伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)整技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)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(tǒng)一般由位置控制、速度控制組成，通常將位置控制部分與數(shù)控裝置做在一起。伺服驅(qū)動(dòng)裝置按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。數(shù)控機(jī)床的功能強(qiáng)弱取決于NC 裝置，而其性能好壞、取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伴隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，從電液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展到高性能交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是高性能交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)代表了當(dāng)前伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著電力電子技術(shù)，微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)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(tǒng)中。高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的研究是智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的前沿。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯及遺傳算法等人工智能系統(tǒng)與現(xiàn)代交流伺服控制理論方法相結(jié)合，研究適合高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的控制方法：分層遞階智能控制、定性與定量控制的協(xié)調(diào)方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法、智能容錯(cuò)魯棒控制器設(shè)計(jì)及智能控制的穩(wěn)定性分析方法。使交流伺服系統(tǒng)的性能達(dá)到快響應(yīng)、高精度、魯棒性及高可靠性智能化的目標(biāo)，并能在高精度數(shù)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

交流伺服控制有模擬式、數(shù)模混合式和全數(shù)字式之分。模擬交流伺服系統(tǒng)，由于控制信號(hào)是連續(xù)的，工作速度很快，系統(tǒng)的頻率可以做得很寬，這使系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和很寬的調(diào)速范圍，控制系統(tǒng)內(nèi)部和輸出狀態(tài)及其變化容易通過(guò)儀表觀察和記錄。但另一方面，模擬伺服系統(tǒng)是由模擬電子器件構(gòu)成的系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法；由于電子器件特性的分散性，使系統(tǒng)的調(diào)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(diào)整好的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)缺乏豐富的自診斷和顯示功能，在整機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)不能方便地判斷系統(tǒng)中的問(wèn)題。此種方式正逐漸被淘汰。數(shù)模混合式交流伺服系統(tǒng)中，一般采用工控機(jī)、單片機(jī)和DSP來(lái)完成位置和速度控制，由于受CPU運(yùn)算速度的限制，伺服系統(tǒng)中響應(yīng)最快的電流環(huán)控制仍由模擬電路完成，從交流伺服系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，混合式交流伺服系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，在許多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)換，用于控制電機(jī)的一個(gè)器件。而伺服是一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)。簡(jiǎn)單說(shuō)變頻器主要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)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(dá)到精確、穩(wěn)定，不會(huì)因變頻而產(chǎn)生死機(jī)。伺服不僅能達(dá)到以上的功能，而且產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，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(tǒng)是不會(huì)產(chǎn)生這樣的后果。所以說(shuō)伺服系統(tǒng)的達(dá)到的效果是變頻電機(jī)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(chǔ)上進(jìn)行閉環(huán)的精確控制從而達(dá)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(tǒng)。