浅析机械工业自动化中的运动控制新技术

汪群华

摘要：

计算机与微电子技术的快速发展，带动了工业运动控制技术的提高，出现了直线电机驱动技术、全闭环交流伺服驱动技术、计算机控制技术、运动控制卡等控制新技术。这些技术为我国工业水平的提高与机电一体化水平的进步发挥了比较大的作用。本文就机械工业自动化中的运动控制新技术进行浅显的分析。

关键词：机械工业；自动化；运动控制新技术

一、引言

传统产业在高新技术产业的发展冲击下，不断革新，这也为传统产业的发展带来了机会。机械工业是传统产业之一。新技术的革新使其产品结构与生产系统的结构都发生了重大变化。微电子技术、微计算机技术的快速发展，促进了机械工业自动化的进程。机电一体化不断的技术改革，使得机电一体化的产品比如汽车、家用电器、冶金机械、工业机器人、包装机械等，每隔一段时间都会有新的进展。机电一体化技术在现代生活、生产中发挥着比较重要的作用，提高了人民的生活水平与工作效率，降低了材料的消耗，增强了企业发展当中的竞争力。机电一体化迅速发展的同时，运动控制技术也得到不断发展。机械工业自动化中的运动控制新技术得到大大发展，出现了全闭环交流伺服驱动技术(Full ClosedAC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Con-trolling Board)等新技术。

二、机械工业自动化当中的几种运动控制新技术

（一）全闭环交流伺服驱动技术

机电一体化产品的定位精度与动态响应若要求比较高，通常会用到交流伺服系统，其中的数字交流伺服系统更合适数电控制。数字交流伺服系统采用了数字信号处理器的驱动器，可以对机械电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，电机与驱动器之间就构成了位置与速度的闭环控制系统。这种闭环交流伺服驱动系统具有高速的运算控制能力，能够自动完成整个伺服系统的增益调节，对于机械中负载的变化也可以跟踪到，能够根据负载情况实时地调节系统的增益，甚至有的驱动器还具有快速傅立叶变换的功能，能把机械共振点测算出来，还通过陷波滤波方式能消除机械共振。通常情况下，此类数字交流伺服系统一般工作在半闭环的控制方式中，这种控制方式在传动链上会有间隙，误差得不到补偿。如果想得到更高精度的控制，需要在最终的运动部分安装比较高精度的电子检测元器件比如光电编码器等，这样就实现了全闭环的控制。这种运动控制新技术与传统的全闭环控制的方法相比而言，伺服系统只能接受速度指令，对速度环进行控制，对位置环的控制则由上位控制器来工作实现。这样导致在很大程度上增加了上位控制器的难度，抑制了伺服系统的推广。目前，国外已经出现了一种更加完善、可实现更加高精度的全闭环数字式伺服系统，让机械实现更高精度的自动化水平越来越容易。这种国外的全闭环数字式控制伺服系统就避免了上述的半毕环控制系统的不足，伺服驱动器可以直接采样装载最后一级机械运动部件上的位置反馈元件，来作为置环，而电机上的编码器反馈此时只当做速度环，此伺服系统可以消除机械传动上出现的齿轮间隙等，同时补偿了机械传动件的制造误差，获得真正的全闭环位置控制功能，得到的定位精度也非常高。这种机械工业自动化中的全闭环控制都由驱动器来实现，不需要增加上位控制器的负担，使得它的应该越来越普遍。

(二)直线电机驱动技术

直线电机驱动技术也是机械工业自动化中的运动控制新技术。直线电机在机床行业当中的应用越来越被受到重视，尤其在西欧等工业发达国家对直线电机应用非常看好。在机床的进给系统当中，使用直线电动机代替原旋转电动机的驱动的最大的区别是取消了电机到工作台之间的机械传动环节，使得机床进给传动链的长度被缩减为零，此种传动也被称为“零传动”。领传动方式的性能远远超过了原来的旋转电机驱动。直线电机驱动技术具有一系列的特点。直线电机驱动技术当中取消了一些响应时间常数比较大的机械传动零器件比如丝杠等，这样让整个闭环控制系统的动态效应得到了很大程度的提高，机器反应也非常的灵敏；同时机械产生的传动间隙与误差也大大地降低，通过直线检测反馈控制，在很大程度上提高了机床的定位精度。直线电机驱动因驱动是“直接驱动”，免去了启动、换向时中间传动环节的弹性变形、反向间隙所出现的运动滞后现象，从很多程度提高了传动的刚度。直线电动机还具有速度比较快、速度加与减的过程比较短、行程长度不受限制、机械运动比较安静、机械工作的噪音偏低等特点。此外，直线电动机省掉了一些中间环节，机械摩擦损耗就少了许多，这样传动效率就大大地得到提高。直线电动机的应用越来越多，尤其在机械的运动控制行业当中受到很大的重视。国外发达工业运动控制的企业的推广已经达到比较火爆的程度，比如日本三井精机公司、美国科尔摩根公司等应用了直线电机驱动技术。

(三) 可编程序计算机控制器

可编程控制器的发展已经有相当长的时间，到目前经过了三十多年的发展，技术趋于成熟，尤其加上这些年来微电子技术与计算机技术的不断发展，可编程控制器结合了这些先进技术的特点，形成了新一代的可编程控制器即可编程序计算机控制器。可编程计算机控制器和传统的控制器相比，它有一个比较大的优点，那就是它有着大型计算机分时多任务操作系统与多样化的应用软件的设计。传统的可编程控制器比较多地运用了单任务的时钟扫描或者监控程序来处理程序自身的逻辑运算指令与外部的进出通道信号状态的采集和刷新，采用这种方式就限制了可编程控制器的速度控制大小，与进出通道当中的高实时性控制相违背。可编程计算机控制器就比较完美地解决了传统可编程控制器的这一缺点。计算机控制器采用了分时多任务机制构筑了应用软件的运行平台，那么应用程序的运行周期就与程序的长度没有关系，只与循环周期有大的关系，这样达到了实时控制的要求。计算机可编程控制技术的操作系统帮助了工程应用软件的开发。计算机控制器的各个模块比如数据采集、通信控制等可以进行独立的运行，各个数据之间又保持着相互联系。各个模块经过独立编制与测试之后，可以同时下载到其中央处理器当中，能实现多任务操作下的并行运行，实现了对项目共同的控制。计算机可编程控制器在机械工业控制中体现了比较强大的功能优势。它的应用将越来越得到全面开发。

(四)运动控制卡

运动控制卡就是一种工业的PC机，它主要用作各种运动控制当中的上位控制单元。它作为机械工业自动化中的运动控制新技术，完全符合新型数控系统的各项标准与要求，满足了包装机械、国防装备、印刷机械等改造的硬件平台，达到了PC机借助运动控制卡强大的功能特点。运动控制卡一般都会采用专业运动控制芯片来作为运动控制的核心部分，通常情况下，运动控制卡和PC机会构成主从式控制结构。运动控制卡会有比较开放的DOS或Windows系统等来作为控制系统，PC机则管控着运动轨迹规划、键盘管理、鼠标管理等。运动控制卡正因有结构开放的特点，它能应用于制造机械工业自动化中比较多的领域。运动控制卡在国外的机械工业自动化设备的控制中比较流行。它也形成了一个独立的专门行业。在国内，运动控制卡应用于机械工业自动化中也相继已经有出现。

三、结束语

综上所述，机械工业自动化中的运动控制新技术的出现与现代科技技术的不断发展有着密切的关系，尤其是计算机技术与微电子技术的不断发展，加速了运动控制技术发展的进程。运动控制新技术的出现也加速了机电一体化新的进程，为机电一体化的在制造业等领域的应用带来福音。所以，全闭环交流伺服驱动系统、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等为代表的运动新技术的发展与应用将会越来越突出，为提高工业工作效率，降低损耗，得到更高的精度，实现强大的功能操作等方面发挥重要的作用。这些运动控制新技术在国外发达国家已经有相当程度的应用，取得了一些成績，相信，在国内也会加大速度发展与推广这些运动控制新技术，为我国的机电一体化技术水平的提高做出应有的贡献。

参考文献：

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