運動控制使用一些設備如液壓泵、線性執(zhí)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(yè)中。一個運動控制系統(tǒng)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(huán)；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(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)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(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

這些機構構架隨著科技的發(fā)展已經(jīng)發(fā)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(xiàn)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(zhí)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(tǒng)主要由運動控制器、驅動器、執(zhí)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(huán)信號和接受控制系統(tǒng)的定位請求信號，將分析、計算所得出的運動命令以數(shù)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(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機系統(tǒng)等。

(2)驅動器其功能是進行功率變換，驅動電機根據(jù)上位控制指令轉動。

(3)執(zhí)行機構運動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機構一般為步進電機、數(shù)字式交流伺服電祝和童流伺服電視等，其優(yōu)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(huán)或全閾環(huán)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(zhí)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(zhí)行器的動作誤差等，運動控制系統(tǒng)執(zhí)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(jīng)過反饋校正，位置控制精度不高。

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

定位精度是評價位置伺服系統(tǒng)位置控制準確度的性能指標，系統(tǒng)最終定位點與指令目標值間的靜止誤差定義為系統(tǒng)的定位精度。伺服系統(tǒng)在低速情況下實現(xiàn)平穩(wěn)進給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍，“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)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(xiàn)象也可用死區(qū)來表達。

解決方法：

首先是提高執(zhí)行器的執(zhí)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(huán)節(jié)包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內，因此可獲得較穩(wěn)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?shù)姆椒▉磉m當提高其精度；全閉環(huán)控制系統(tǒng)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(tài)定位精度。

2.運動控制系統(tǒng)就執(zhí)行元件電動機而言，交直流兩大分支一直并存于各個工業(yè)領域，伴隨著工業(yè)技術的發(fā)展，特別是隨著電力電子和微電子技術的發(fā)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(fā)明使用，使交流電氣傳動在工業(yè)中得到了逐步廣泛的應用。隨著生

產(chǎn)技術的發(fā)展，對起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)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(tǒng)；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(tǒng)的研究。近幾十年來隨著電力電子技術、微電子技術、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流調速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利的條件，使交流

調速逐步具備了寬調速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應和四象限運行等良好的技術性能，并實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，目前交流調速系統(tǒng)已逐步占據(jù)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(tǒng)的交流電動機主要采用永磁同步電動機。

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

由于具有伺服系統(tǒng)一般由位置控制、速度控制組成，通常將位置控制部分與數(shù)控裝置做在一起。伺服驅動裝置按其結構特點有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。數(shù)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(tǒng)。伴隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅動技術也得到了相應的發(fā)展，從電液脈沖馬達、功率步進電動機發(fā)展到高性能交、直流伺服電動機驅動系統(tǒng)。特別是高性能交流電動機伺服系統(tǒng)代表了當前伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著電力電子技術，微機及數(shù)字信號處理技術和現(xiàn)代控制理論的應用，為伺服技術的發(fā)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(tǒng)中。高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的研究是智能數(shù)控系統(tǒng)技術發(fā)展的前沿。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、模糊邏輯及遺傳算法等人工智能系統(tǒng)與現(xiàn)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(tǒng)的控制方法：分層遞階智能控制、定性與定量控制的協(xié)調方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法、智能容錯魯棒控制器設計及智能控制的穩(wěn)定性分析方法。使交流伺服系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)中得到應用。

交流伺服控制有模擬式、數(shù)?；旌鲜胶腿珨?shù)字式之分。模擬交流伺服系統(tǒng)，由于控制信號是連續(xù)的，工作速度很快，系統(tǒng)的頻率可以做得很寬，這使系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應性能和很寬的調速范圍，控制系統(tǒng)內部和輸出狀態(tài)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(tǒng)是由模擬電子器件構成的系統(tǒng)，難以實現(xiàn)復雜的控制方法；由于電子器件特性的分散性，使系統(tǒng)的調整困難，而且模擬器件的工作狀態(tài)極易受溫度影響而產(chǎn)生漂移，破壞已調整好的運行狀態(tài)。系統(tǒng)缺乏豐富的自診斷和顯示功能，在整機聯(lián)調時不能方便地判斷系統(tǒng)中的問題。此種方式正逐漸被淘汰。數(shù)模混合式交流伺服系統(tǒng)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(tǒng)中響應最快的電流環(huán)控制仍由模擬電路完成，從交流伺服系統(tǒng)控制技術的發(fā)展過程來看，混合式交流伺服系統(tǒng)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(chǎn)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(huán)的系統(tǒng)。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(wěn)定，不會因變頻而產(chǎn)生死機。伺服不僅能達到以上的功能，而且產(chǎn)生一個閉環(huán)的系統(tǒng)，從而避免變頻器產(chǎn)生的輻射。變頻器在變頻過程中還會產(chǎn)生大量熱量，造成溫度的提高與聲音，而伺服系統(tǒng)是不會產(chǎn)生這樣的后果。所以說伺服系統(tǒng)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(huán)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(chǎn)品才用變頻伺服系統(tǒng)。

太原科技大學電子信息工程學院  國建嶺

一個運動控制系統(tǒng)基本構架組成包括：運動控制器、驅動放大器、執(zhí)行機構以及反饋機構。隨著科學技術的不斷發(fā)展運動控制系統(tǒng)的機構構架的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了越來越大的變化，并且直接推動運動技術的更廣泛應用。

要實現(xiàn)更高的控制精度主要難點在于驅動放大部分。市場上驅動控制部分大多數(shù)采用V/F控制，由于轉速精度受到轉差率及負載的影響，無法精確控制電機的實際轉速，存在控制精度低、動態(tài)性能差、控制功能少等缺點，而提高定子電壓的補償難以完全與負載相互匹配，低速轉矩不足。因此要提高控制精度就必須首先解決驅動控制的不足問題。目前市場上出現(xiàn)了（例如空間矢量控制、轉矩控制等）多種控制方式。矢量控制是測量轉子磁鏈用以得到驅動控制的數(shù)據(jù)，在實際應用中轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大導致實際的控制效果難以達到理想水平。轉矩控制避開了矢量控制中的復雜解耦運算，直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型來控制電動機的磁鏈和轉矩，從而可以達到比較高的控制精度，比較適用于轉速和負載變化范圍較大的場合?？偠灾?，無論哪種測控方法的應用，都是以提高控制精度為目的。

當前市場上變頻器主要用在速度控制和力矩控制要求不是很高的場合，但是功率控制范圍比較寬。伺服驅動器具有響應速度快、控制精度高、定位迅速等優(yōu)點，但是控制功率范圍比較變頻器要小。部分廠家結合了兩者的優(yōu)點，開始從事變頻伺服系統(tǒng)的設計研究工作，并取得了豐碩的成果。變頻伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)成為目前運動控制系統(tǒng)的主流。其特點是：可以滿足精確地速度控制；在零速度下具有滿峰值轉矩；較寬的速度設定范圍；大負載能力；良好的動態(tài)響應。變頻伺服控制系統(tǒng)本身也具有一定的局限性：對于發(fā)展高性能變頻伺服系統(tǒng)來說，在一定條件下，作為“硬形式”存在的變頻器、伺服電機以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術、微電子技術的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實現(xiàn), 并為其實際應用奠定了物質基礎。伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的系統(tǒng)，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時受到不同程度的外界干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發(fā)展，引進一些先進的復合型控制策略以改進“控制器”性能是當前發(fā)展高性能變頻伺服控制系統(tǒng)的一個主要突破口。

執(zhí)行器用于運動控制系統(tǒng)運動量的輸出，是運動控制系統(tǒng)的動作執(zhí)行者，執(zhí)行器的機械精度高低直接關系到運動控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，所以執(zhí)行器的機械精度問題的解決是運動控制系統(tǒng)需要克服的又一技術難題。為解決這一問題，執(zhí)行器的設計方案如下：執(zhí)行器本身應設計有伺服系統(tǒng)，只需接入采樣信號和電源電壓即可正常工作；執(zhí)行器的關鍵部件——控制器，采用先進的、可靠性高的混合集成電路；驅動量的反饋檢測采用高性能、高精度的電子元器件；具備自診斷功能，當執(zhí)行器發(fā)生故障時，控制器應立即發(fā)出故障報警信號；可以用狀態(tài)選擇開關可以設定執(zhí)行器狀態(tài)信號、設定執(zhí)行器的（正、反）動作、設定輸入采樣信號的類別（如DC4～20mA或DC1～5V）；可以方便的調整執(zhí)行器工作零點（始點）和行程（終點）；當突然斷電時，能確保執(zhí)行器進行自鎖；延時保護功能，額定負載時，能實行狀態(tài)自鎖，故障發(fā)生時，能立即起動保護，并可反向運行取消延時保護。

有理由相信，隨著科技的不斷發(fā)展，運動控制系統(tǒng)的控制技術會有日新月異的變化，運動控制的精度將達進一步的提高。

深圳市雷賽智能控制股份有效公司雷泰控制事業(yè)部副總經(jīng)理

左力 博士

一．實現(xiàn)高精度運動控制系統(tǒng)關鍵問題是成本

1. 高精度運動控制系統(tǒng)的需求越來越大

隨著半導體元件、電子產(chǎn)品不斷地微型化，半導體加工設備、電子加工設備、模具加工設備、檢測設備的精度也越來越高。這些高精度加工設備的核心是高精度運動控制系統(tǒng)，因此，近年來高精度的運動控制系統(tǒng)的需求量越來越大。

2.  高精度運動控制系統(tǒng)的解決方案已經(jīng)很多

高精度的運動控制系統(tǒng)一般由運動控制器、電機、電機驅動器、機械傳動機構、檢測元件等組成。通常將行程300毫米內定位精度在0.01～0.02毫米的系統(tǒng)稱為中等精度系統(tǒng)；定位精度在微米級的系統(tǒng)稱為高精度系統(tǒng)。

中等精度系統(tǒng)一般采用半閉環(huán)結構，如圖1所示，其中的交流伺服電機即可保證系統(tǒng)的定位精度，運動控制器發(fā)送脈沖指令即可。高精度系統(tǒng)一般采用閉環(huán)結構，如圖2所示。運動平臺配有光柵尺做位置反饋，運動控制器采用PID等算法不斷調節(jié)電機的速度，以保證系統(tǒng)的定位精度在控制范圍內；通常控制器輸出給電機驅動器的控制信號為模擬信號。

圖1  半閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖2  全閉環(huán)控制系統(tǒng)

目前，高精度運動控制系統(tǒng)的解決方案很多，定位精度在0.1～1微米的設備已經(jīng)不少。電機可以采用：交流伺服電機、直流伺服電機、直線伺服電機、納米電機（超聲波電機）等；機械傳動元件除了高精度的滾珠絲杠和滾珠導軌外，當定位精度高于1微米時，氣浮導軌、大理石平臺、恒溫設備等特殊元、器件都要選用。

對于運動控制系統(tǒng)而言，精度和速度永遠是一對矛盾。例如：運動控制器的計算速度由其CPU決定。提高控制精度，計算量會增大；提高運動速度，計算量也會增大。要提高系統(tǒng)的定位精度，就要犧牲系統(tǒng)的運動速度。好在大多數(shù)系統(tǒng)在高精度條件下運行時，速度并不快。

國內已經(jīng)有計算速度很快的運動控制器，如：雷賽公司的DMC5400運動控制卡，其直線插補、圓弧插補周期小于1微秒；華中科技大學最新研發(fā)的高速高精度數(shù)控系統(tǒng)插補周期更是僅有0.125微米，分辨率高達1納米。

另外還要注意：

1）作為閉環(huán)控制系統(tǒng)中的檢測元件，光柵尺的分辨率一定要比系統(tǒng)的定位精度高一個數(shù)量級。即：如果系統(tǒng)定位精度是1微米，則光柵尺的分辨率要為0.1微米。只有這樣才能確保系統(tǒng)具有可靠的定位精度。

2）大理石平臺的線膨脹系數(shù)為4.61×10^-6/℃，即：溫度變化1度，1米長的大理石平臺就有4.61微米長的變化。因此，恒溫對于高精度設備而言，非常重要。

3.高精度運動控制系統(tǒng)的成本很高

顯然，獲得高精度的品質需要花費高昂的代價。如何降低高精度運動控制系統(tǒng)的造價已成為當前的一個熱門問題。

二、數(shù)字閉環(huán)是提高運動控制系統(tǒng)精度降低成本的有效途徑

傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)除了成本高以外，還因為其控制信號是模擬量，所以存在溫漂、零漂等不穩(wěn)定因素。隨著運動控制元件研發(fā)、制造技術的不斷提高，和十年前相比，目前步進電機的平穩(wěn)性、細分數(shù)已經(jīng)有很大提高；電子石英鐘就是一個很好的例子，現(xiàn)在市場上一秒鐘跳一次的鐘已經(jīng)很難見到，取而代之的是運行平穩(wěn)、連續(xù)的鐘，其機芯仍然是步進電機。同樣，國產(chǎn)的光柵尺在保證高精度的前提下，價格也下降至幾百元。

由于具備了運動平穩(wěn)、連續(xù)的步進電機和價格低廉的光柵尺，這使得數(shù)字式閉環(huán)系統(tǒng)的應用具有了現(xiàn)實意思。和模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，其具有：成本低、穩(wěn)定性好、控制精度相當?shù)忍攸c。

其實國內的科技工作者一直在對數(shù)字式閉環(huán)運動控制系統(tǒng)進行研究、應用。如清華大學精密儀器系的周凱，在1998年就實現(xiàn)了數(shù)控機床的數(shù)字化閉環(huán)控制；燕山大學的王振臣和徐宇馨，在2004年實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的步進電機閉環(huán)控制；沈陽工業(yè)大學的孫興偉、董蔚和陳林平，在2010年研究出專用數(shù)控機床上的全閉環(huán)數(shù)字控制方法。

雷賽公司近期也完成了數(shù)字閉環(huán)運動控制技術的開發(fā)工作，并推出了2款具有數(shù)字閉環(huán)功能的運動控制器SMC6490和PMC6496。其控制策略為：如果平臺位移誤差在控制精度范圍內，運動控制器不對脈沖指令作任何調整，控制器以開環(huán)控制方式對步進電機驅動器進行控制；如果位移誤差超出控制精度范圍，則控制器采用閉環(huán)控制算法向步進電機驅動器發(fā)送脈沖控制指令。

實際運行結果表明：采用SMC6490運動控制器與步進電機和光柵尺組成數(shù)字式閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，運動平臺的定位精度達到5微米。

三、交流伺服電機不會一統(tǒng)天下

1.    交流伺服電機優(yōu)點很多

和步進電機比較，交流伺服電機具有以下優(yōu)點：

·        定位精度高，不會丟步；

·        轉速高、運動平穩(wěn)；

·        功率密度大，響應速度快。

和有刷直流伺服電機比較，交流伺服電機具有以下優(yōu)點：

·        結構簡單、無電刷和換向器。工作壽命長；

·        線圈安裝在定子上，轉子的轉動慣量小。動態(tài)特性好；

·        結構合理，功率密度高。同體積電機功率可高70%。

2.    交流伺服電機也有局限性

目前，交流伺服電機使用量越來越大，但是其成本遠高于步進電機。而且，還存在使用復雜、運動停止時有微小抖動（因為伺服電機是閉環(huán)控制，其靜止時仍在不停地調整）等問題。而且，可使用步進電機的普通控制精度的運動控制系統(tǒng)的數(shù)量遠比高精度運動控制系統(tǒng)的多。因此，交流伺服電機不可能取代步進電機。

另外，在高速高精度運動系統(tǒng)中，直線伺服電機有取代旋轉式伺服電機的趨勢。

三．機械傳動機構的精度直接影響運動控制系統(tǒng)的精度

1.    元件的選型要合理

有一種錯誤的觀念認為：只要運動控制器的精度高、光柵尺的分辨率高，閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的精度就高，絲杠、導軌及平臺裝配精度關系不大。事實是：閉環(huán)系統(tǒng)是可以彌補絲杠和導軌的制造誤差、平臺的裝配誤差。但是，當機械傳動機構的間隙、跳動等指標超過系統(tǒng)的控制精度時，閉環(huán)系統(tǒng)怎么調節(jié)都無法達到控制精度。

筆者曾經(jīng)親身經(jīng)歷過這樣一件事：調試2個定位精度為2微米的閉環(huán)控制運動平臺，X軸十分正常，可Y軸怎么調都不能達到2微米的定位精度。經(jīng)過反復查找，才發(fā)現(xiàn)是一個支撐絲杠的軸承質量不合格，軸向跳動超過了2微米，造成Y軸在運動中總是有2微米以上的誤差。換上一個好軸承后，問題就解決了。

2.    機械系統(tǒng)設計、制造和裝配質量很重要

選購高精度的機械零部件，并不一定就能組成高精度的閉環(huán)運動控制系統(tǒng)。將這些高精度的元件組裝在一起，形成高精度的運動平臺，平臺裝配圖的設計十分重要；尤其是各零部件的定位關系一定要設計合理，既要便于加工、又要便于裝配。

裝配過程中一定要用千分表做檢測，保證導軌、絲杠的裝配精度；裝配完成后，最好用激光干涉儀進行全面的檢測；各項指標合格后，再進行閉環(huán)系統(tǒng)的調試。這樣做成功率最高。