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運動控制使用一些設備如液壓泵、線性執行機或者是電機來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中。一個運動控制系統的基本架構組成包括：一個運動控制器用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置反饋環；一個驅動或放大器用以將來自運動控制器的控制信號（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；一個執行器如液壓泵、氣缸、線性執行機或電機用以輸出運動；一個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，以實現和位置控制環的閉合。

這些機構構架隨著科技的發展已經發生了越來越大的變化，并直接推動了運動技術的更廣泛應用。

各位能否就以下問題進行深入探討：

（1）目前實現更加控制精度的難點在于哪個部件？該如何解決。

（2）目前的變頻伺服是否會成為運動控制的主流？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  劉宗 教授

1.應用在各個領域的典型運動控制系統主要由運動控制器、驅動器、執行機構、機械傳動機構和反饋裝置構成。

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

(2)驅動器其功能是進行功率變換，驅動電機根據上位控制指令轉動。

(3)執行機構運動控制系統中常用的執行機構一般為步進電機、數字式交流伺服電祝和童流伺服電視等，其優點是受控性能好，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器中，構成閉環或全閾環控制，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。

難點在于執行器的精度提高，如絲杠等機械傳動誤差，被控單元之聞整個機械傳動鏈中的傳動誤差，執行器的動作誤差等，運動控制系統執行電機一般采用步進電機，步進電機控制方便，結構簡單，價格便宜，但是他的機械傳動誤差不經過反饋校正，位置控制精度不高。

一個運動控制系統主要的性能指標一般為：動態響應的快速性、穩態跟蹤的高精度以及行為的魯棒性。這些指標是一個統一的整體，是實現一個運動控制系統的關鍵技術所在。定位精度是控制系統的一個重要指標。

定位精度是評價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現平穩進給，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。此外，還由于存在機械間隙，電機雖然轉動，但拖板并不移動，這些現象也可用死區來表達。

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，大部分機械傳動環節包括在系統閉環環路內，因此可獲得較穩定的控制特性。絲杠等機械傳動誤差不能通過反饋校正，但可采用軟件補償償的方法來適當提高其精度；全閉環控制系統是采用光柵等檢測元件對被控對象進行位置檢測，可以消除從電機到被控單元之聞整個機械傳動鏈中的傳動誤差，得到很高的靜態定位精度。

2.運動控制系統就執行元件電動機而言，交直流兩大分支一直并存于各個工業領域，伴隨著工業技術的發展，特別是隨著電力電子和微電子技術的發展，電機及控制技術不斷完善。19 世紀80 年代以前，直流電機拖動是唯一的電氣傳動方式。19 世紀末，交流電機的發明使用，使交流電氣傳動在工業中得到了逐步廣泛的應用。隨著生

產技術的發展，對起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態特性、動態響應等方面都提出了更高的要求，這時又開始使用直流調速系統；但由于直流調速本身存在的弱點，人們開始了新一輪交流調速系統的研究。近幾十年來隨著電力電子技術、微電子技術、現代控制理論的發展，為交流調速產品的開發創造了有利的條件，使交流

調速逐步具備了寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應和四象限運行等良好的技術性能，并實現了產品的系列化，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機主要采用永磁同步電動機。

伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調整技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。

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。伺服驅動裝置按其結構特點有開環、半閉環、閉環之分。數控機床的功能強弱取決于NC 裝置，而其性能好壞、取決于伺服驅動系統。伴隨著數控系統的發展，數控系統的伺服驅動技術也得到了相應的發展，從電液脈沖馬達、功率步進電動機發展到高性能交、直流伺服電動機驅動系統。特別是高性能交流電動機伺服系統代表了當前伺服驅動系統的發展方向。

隨著電力電子技術，微機及數字信號處理技術和現代控制理論的應用，為伺服技術的發展提供了廣闊的前景。近年來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發展的前沿。將人工神經網絡、專家系統、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調方法、模糊神經網絡學習算法、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、數模混合式和全數字式之分。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態響應性能和很寬的調速范圍，控制系統內部和輸出狀態及其變化容易通過儀表觀察和記錄。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極易受溫度影響而產生漂移，破壞已調整好的運行狀態。系統缺乏豐富的自診斷和顯示功能，在整機聯調時不能方便地判斷系統中的問題。此種方式正逐漸被淘汰。數模混合式交流伺服系統中，一般采用工控機、單片機和DSP來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控制仍由模擬電路完成，從交流伺服系統控制技術的發展過程來看，混合式交流伺服系統技術比較成熟，在許多領域得到了極為廣泛的應用，仍是目前伺服裝置產品的主流。

變頻器只是一個V-F轉換，用于控制電機的一個器件。而伺服是一個閉環的系統。簡單說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量，力距，定位，從而達到精確、穩定，不會因變頻而產生死機。伺服不僅能達到以上的功能，而且產生一個閉環的系統，從而避免變頻器產生的輻射。變頻器在變頻過程中還會產生大量熱量，造成溫度的提高與聲音，而伺服系統是不會產生這樣的后果。所以說伺服系統的達到的效果是變頻電機無法比擬的。

變頻只是伺服的一個部分，伺服是在變頻的基礎上進行閉環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格高，往往只有高端產品才用變頻伺服系統。