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運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 固高科技    2023-08-08

①基本概述

A、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

以反饋控制為核心、機(jī)構(gòu)為被控對(duì)象、數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是人類發(fā)明和制造機(jī)器的過程中發(fā)展起來的一門科學(xué)技術(shù)。人類通過運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)來制造更有序、高效、高速、精密、穩(wěn)定和可靠的“好機(jī)器”。機(jī)器改變世界，而運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)改變機(jī)器設(shè)計(jì)與制造，是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的“制器之技”。

現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展起源于工業(yè)革命后對(duì)蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)等各類機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精確控制的想法。得益于現(xiàn)代控制理論、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一，并已廣泛應(yīng)用于微電子、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電子加工和檢測(cè)、生產(chǎn)自動(dòng)化等各類工業(yè)制造領(lǐng)域。在現(xiàn)代化工業(yè)時(shí)代，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用水平是衡量一個(gè)國家裝備自動(dòng)化、智能化水平的標(biāo)志，體現(xiàn)了制造業(yè)的發(fā)展水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

B、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是智能制造裝備的核心基礎(chǔ)部件，決定了裝備的精度、效率，是不同品牌裝備形成差異化的重要環(huán)節(jié)。

從基本結(jié)構(gòu)上看，典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括控制器、驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)（執(zhí)行器）和傳感器三大部件。其具體功能是在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)高速、高精度的軌跡和位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制或力控制。

其中，運(yùn)動(dòng)控制器相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的“大腦”，驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)相當(dāng)于“心臟”和“血管”，傳感器則是“神經(jīng)系統(tǒng)的感知單元”。而機(jī)械系統(tǒng)就是承載任務(wù)的“四肢”。運(yùn)動(dòng)控制器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令，驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)化為能夠運(yùn)行電機(jī)的電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)工作機(jī)械（負(fù)載）實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的多種傳感器經(jīng)過信號(hào)處理將實(shí)時(shí)信息反饋給控制器，控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分集成，硬件即工業(yè)控制板卡，包括主控單元、信號(hào)處理等部分，軟件包括運(yùn)動(dòng)控制算法、邏輯任務(wù)、系統(tǒng)調(diào)度及相關(guān)工業(yè)應(yīng)用軟件。硬件的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)，軟件、算法的優(yōu)劣，共同決定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度、效率。在硬件的差異化不明顯的情況下，軟件算法是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。運(yùn)動(dòng)控制軟件可在使用過程中通過升級(jí)來提升性能或改變用途，從而使智能化裝備具有真正的柔性。

在裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，整體制造業(yè)向精益管理綜合能力和全局效益提升方向發(fā)展的背景下，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心指標(biāo)就應(yīng)包括：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體可靠性、穩(wěn)定性，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的性能和功能指標(biāo)（高速高精、高實(shí)時(shí)性和高帶寬等）和快速二次開發(fā)能力，以及人機(jī)交互的友好、易用與可重構(gòu)，針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)（智能感知與故障診斷）能力，與產(chǎn)線及周邊設(shè)備交互并參與整體節(jié)拍效率、產(chǎn)能以及供應(yīng)鏈的決策等。

②運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心部件

A、運(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器是指以中央邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號(hào)敏感元件，以電機(jī)或動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置，其主要任務(wù)是根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的要求和傳感器件的信號(hào)進(jìn)行必要的邏輯、數(shù)學(xué)運(yùn)算，為電機(jī)或其它動(dòng)力和執(zhí)行裝置提供正確的控制信號(hào)。

運(yùn)動(dòng)控制器由硬件、固件、軟件等組成，其中硬件部分包括微處理器、存儲(chǔ)器、接口電路、通信接口、電源等；固件是指固化在微處理器、存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件等元件中的軟件；軟件部分由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制指令編譯器、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的預(yù)處理及優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)、通信管理等模塊構(gòu)成。

運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)向伺服系統(tǒng)等部件傳遞控制指令，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心模塊，其性能直接決定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能水平。運(yùn)動(dòng)控制器可分為插卡式運(yùn)動(dòng)控制器、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器和網(wǎng)絡(luò)式運(yùn)動(dòng)控制器。

B、伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是一種能對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)按預(yù)定要求進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），實(shí)現(xiàn)輸出變量精確跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量。

伺服系統(tǒng)通常由驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)器是用來控制電機(jī)的一種裝置，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，一般通過位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可精準(zhǔn)控制速度，位置，可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如下：

交流伺服系統(tǒng)依據(jù)不同的電機(jī)運(yùn)行原理分為永磁同步交流伺服系統(tǒng)、感應(yīng)交流伺服交流伺服 系統(tǒng)、磁阻同步交流伺服系統(tǒng)和無刷直流伺服系統(tǒng)，當(dāng)前市場(chǎng)以永磁同步電機(jī)及無系統(tǒng) 刷直流伺服電機(jī)為主。交流伺服電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)換向?qū)崿F(xiàn)電流的精確通知，同時(shí)它具備轉(zhuǎn)矩密度大、效率高、力矩大，響應(yīng)快，可靠性高等特點(diǎn)，在工業(yè)場(chǎng)景得到廣泛應(yīng)用。

直流伺服系統(tǒng)由直流伺服驅(qū)動(dòng)器和直流伺服電機(jī)組合構(gòu)成。直流伺服電機(jī)通過電刷直流伺服 進(jìn)行換向，驅(qū)動(dòng)器只需輸出正負(fù)直流電機(jī)即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反運(yùn)行。由于直流電機(jī)的系統(tǒng) 輸出特性，它的力矩線性、平穩(wěn)，通常被用在高精密的控制領(lǐng)域。同時(shí)，直流伺服電機(jī)可配備編碼器形成閉環(huán)系統(tǒng)。因此，直流伺服系統(tǒng)可準(zhǔn)確掌握電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)精確的定位。

步進(jìn)系統(tǒng)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組合構(gòu)成，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收指令信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步步進(jìn)系統(tǒng) 進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，因此可通過驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。步進(jìn)系統(tǒng)通常為開環(huán)系統(tǒng)，在步進(jìn)電機(jī)添加編碼器后也可形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。