电力传动系统运动控制发展与展望

(广东工业大学自动化学院 广东 广州 525000)

一、概述

运动控制(Motion Control)是在电机驱动的基础上,随着相关学科技术发展而形成的一门多学科交叉技术。它指在复杂条件下,将预定的控制方案、指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制或转矩控制。[1]

随着计算机技术、电力电子技术和传感器技术的发展,各发达国家的机电一体化产品层出不穷,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着巨大的作用。在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展。在强劲的市场需求的推动下,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。

信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展,在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术,主要包括:全闭环交流伺服驱动技术(FullClosedAC Servo)、直线电机驱动技术(LinearMotorDriving)、网际开放式结构高性能DSP多轴运动控制技术、可编程控制器运动控制系统(ProgrammableComputerController,PCC)、基于现场总线的运动控制技术(CANbus-basedMotion Controller)、运动控制卡(Motion ControllingBoard)等。

该技术的发展趋势将是数字化、网络化和智能化。

二、电力传动系统运动控制的重要性

随着我国整体实力的快速增长，多个行业对电力以及运动控制的需求和要求越来越高，如机械行业、交通行业、石油化工行业、环保行业、国防及航天等，因此加强对电力传动系统运动控制的研究，提高其水平具有比较重要意义[2]，是国家工业化和现代化进程不可或缺的一部分，是我国现代工业的支柱。

不仅如此，电力传动系统运动控制还是精密制造技术的核心。精密制造主要分布在汽车、航空和机床制造装备等高技术含量制造业领域[3]。以机械精密制造为例，机械制造类企业依托精密制造技术在产品制造过程中的应用，能够实现对产品性能的显著提升，同时也实现了产品生产工艺的革新。此类技术通常被机械制造类企业应用于对高速位置芯片环、伺服电机、机械传动链刚度等方面的研发制作之中[4]。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部件和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究，这些研究都离不开电力传动运动控制技术，其在精密制造之中起着核心的作用。

三、市场发展趋势

现代工业产品对性能、可靠性、使用寿命、成本和小型化等的要求越来越高。近年来，中国运动控制产品(通用伺服系统、步进系统、运动控制器)稳步增长，增速高于新常态下GDP的增长。尤其是机床、纺织、印刷、包装和电子等行业的快速发展有力带动了对运动控制器的需求。通过运动控制器作为伺服系统的控制装置，其市场规模受到伺服系统的直接影响；运动控制器需求量保持稳定增长。2013年中国运动控制器市场需求依旧相对稳定，增速约为19%，需求量在90万套左右。从产品层面分析，运动控制系统产品有了更高的关键性指标：控制精度、稳定性、动态响应、转矩脉动、高速性能、智能控制和网络支持。有数据显示，全球运动控制硬件市场在2015年遭遇强烈震荡，与2014年同期相比，市场下滑10.6%，规模约104亿美金。运动控制市场很大程度上取决于下游机械设备制造行业的景气度，2015年机床(金属切削机床、金属成形机床)超运动控制销售额的40%，特别是数控产品高度集中于机床行业，超过八成的数控产品销售额来自于该行业，此外，机器人和智能手机相关的电子装联行业表现突出，强力支撑通用运动控产品的需求。随着工业4.0、智能制造、工业物联网等概念的深入推广与逐步落地，极大地推动了运动控制产品在工业以太网、模块化及分布式伺服驱动器、深度软件开发等领域的发展，要求实时、高效的工业设备通讯。据有关权威部门预计，截至2020年，超六成的驱动器及近三成的运动控制器采用工业以太网技术。随着行业应用的不断拓展，工业智能化和网络化的深度推进，运动控制系统部件市场将走向更加成熟、稳健的发展轨道。

四、运动控制技术的发展趋势

电力传动系统运动控制技术的发展趋势主要体现在系统硬件体系结构的发展趋势和系统控制技术的发展趋势两个方面。

控制系统硬件体系结构多采用工业控制计算机、PLC、单片机或单板机等。今年来逐渐向开放数控系统发展。未来，运动控制系统硬件体系结构将趋于多样化、精确化和规范化。由于工业和市场的需要，硬件体系结构也随着不断地变化和发展，出现越来越多的结构满足生产和生活需求；当市场需求提高时，对产品的要求自然也提高，要求硬件体系结构更加精确减少出现错误；工业生产力和生产水平不断提高的同时，将会制定一系列的规则，让企业和企业之间，厂商和厂商之间沟通更加高效，这时候就需要运动控制系统硬件体系结构规范化。

运动控制系统技术发展趋势将是数字化、网络化和智能化。

(1)数字化。从运动控制系统的发展过程可以得到以下结论:基于以DSP控制器构成运动控制系统可满足任意场合的需要,是运动控制技术一个重要的发展方向。运动控制器从最初的单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器发展到今天的基于PC总线的以DSP和FP-GA作为核心处理器的开放式运动控制器,运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。

(2)网络化。微处理器的发展,使数字控制器简单而又灵活,同时为联网提供了可能。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高,单机的控制系统越来越少,取而代之的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统,这就需要计算机网络的支持,传动设备及控制器作为一个节点联到现场总线或工业控制网上,实现集中的或分散的生产过程的实时监控。

(3)智能化。借助数字和网络技术,智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面,例如:模糊控制、神经网络控制、解耦控制等,各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中,大大地改善了控制系统的性能,为控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能。