浅谈我国电力传动系统和运动控制的发展状况

(广东工业大学自动化学院 广东 广州 510006)

一、引言

电力传动系统是指那些把电能到机械能的转化主要由电动机完成，由电动机拖动生产机械来运动的控制系统。电力传动由电动机、传动机构和电气控制装置组成。

运动控制(Motion Control)是自动化的一个分支，它是指在复杂的条件下，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、速度或转矩控制。根据执行机构的类型，运动控制分为电动、气动与液压3种[1]。一个运动控制系统的基本架构组成包括一个运动控制器、一个驱动或放大器、一个执行器以及一个反馈传感器。

可以看出，电力传动系统是实现运动控制的最主要手段。而电力电子技术得到应用之后，曾保持几十年的电力传动控制系统面貌得以改变，从“机组时代”发展到了“电子电子时代”。

二、发展电力传动和运动控制的重要性

(一)电力电子与电力传动的重要性

随着国家中长期科学和技术发展规划纲要的发布，可以看出我国越来越重视对电力电子与电力传动技术的研究。其已广泛地在“纲要”所规定的“重点领域及其优先主题”、“前沿技术”和“重大专项”中的各个重要领域中得到应用及渗透，包括制造业、交通运输业、国防、空天技术和高档数控机床与基础制造技术等。并且电力电子恰恰是关系到上述领域中我国许多引进技术中的核心技术所在[2]。其次，电力电子技术已成为当今任何高新技术系统中不可缺少的关键技术之一，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门[3]。

由于我国目前还处于前工业化阶段，国内整体工业化尚未完成，为了赶上世界经济和技术的发展已经进入信息化和知识经济的时代的步伐，中央提出了“大力发展信息化，以信息化带动工业化”的方针。国务院内更是在“十七大”后设立了工业与信息化部，提出了“工业化信息化融合”的发展路线。成功融合正是要靠电力电子技术，因为电力电子正是信息化与工业设备必要的接口[4]。

(二)运动控制的重要性

机器的本质特征是运动，而保障如机器人等各类先进装备的现代机器高效和高质运行的关键环节就是运动控制系统，所以其在国防军工和工业生产等领域得到广泛应用。运动控制技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术[5]，尤其是在制造业，发展先进运动控制技术更具重要意义[6]。

其主要表现在先进运动控制技术能够满足现代制造业对装备精度和速度的要求，已成为了制造业装备的核心；而制造业作为我国处在工业化进程中的支柱产业，其产品也需要通过先进运动控制技术为核心的现代设备来控制。

三、电力传动和运动控制的市场趋势

随着《中国制造2025》的提出，智能制造等概念的已深入推广，中国也将大力发展高档数控机床和机器人、先进轨道交通装备、航空航天装备以及新一代信息技术产业等十大领域。这对自动化产业来说是前所未有的机遇，而运动控制作为自动化产业的一个分支，也必将拥有巨大的市场潜力。

由于OEM行业受挫严重，运动控制器方面的整体市场在2015年出现了负增长，但在2016年就重新恢复到了4.9%，而随着中国工业转型升级的深入，未来几年控制器领域将保持稳定增长。

运动控制器可以分为单片机或微处理器控制器、专用芯片控制器和工控机。2017年这三类运动控制器的市场规模占比分别为单片机29.6%，专用芯片控制器38.7%，工控机31.7%。其中，工控机主要用于机器人、半导体等领域；专用控制器主要用于机床、纺织等领域；单片机主要用于包装机械等领域。随着近年来我国机器人和半导体行业的大力扩产，工控机的占比正在快速提高。

四、电力传动系统和运动控制的发展现状及趋势

(一)电力传动系统的发展现状及趋势

目前我国电力传动系统的研究主要围绕交流转动系统展开，随着交流电动机调速理论的突破和调速装置(主要是变频器)性能的完善，电动机的调速从直流发电机-电动机组调速、晶闸管可控整理器，直流调压调速逐步发展到交流电动机变频调速[7]。

目前提高我国电力传动系统性能的主要方法和控制策略的趋势总体来说有以下几点：应用PWM技术、微电子技术、矢量控制技术、直接扭矩技术和直线电机，并应用现代化控制理论；其次，因为单纯的自动控制系统不能对跟随传动工作而不断改变的参数误差进行准确修正，而利用模糊算法、神经网络算法等手段的智能化控制系统可以妥善地解决这一问题，因此智能化控制也必将成为趋势。

(二)运动控制技术的发展现状及趋势

运动控制系统的发展主要经历了从模拟到数字，直流到交流，开环到闭环，直到基于网络的运动控制和基于PC的伺服控制过程。而运动控制技术，在制造业和机电装备领域的发展主要经历了早期的步进和模拟时代，20世纪70年代的直流模拟时代，20世纪80年代的交流模拟时代，20世纪90年代的数字/模拟/脉冲混合控制的数字化初级时代，再到21世纪的全数字化时代。而目前我国运动控制技术正处于数字/模拟/脉冲混合控制时代[6]，主流为基于PC的控制技术，采用PC+控制卡的控制器结构，并广泛采用脉冲控制方式和基于DSP的脉冲控制式数字伺服系统。从表面来看，我国目前广泛应用的系统采用了工业PC和DSP等进行数字信息处理和数字控制，但本质上该系统在信息处理、传递和执行等环节都是用脉冲形式进行的，仍属于“脉冲控制”系统。

当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，而网络化全数字也已经成为了如今运动控制的主流。可以看出，运动控制技术总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

五、结语

随着科学技术的发展，电力传动系统和运动控制技术也在不断地进步，推动电力传动系统运动控制的发展有利于我国工业化的进程和推动我国经济发展，但同时我们也要意识到目前我国在电力传动系统运动控制技术上的不足，找到核心问题，走独立自主创新的道路，争取跟上并超过世界技术发展的潮流，实现控制技术的全面数字化、智能化和网络化，并将新技术应用在工业生产中。