工業(yè)控制與自動(dòng)化領(lǐng)域中，淺析運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的核心之一，在印刷，包裝，裝配等工業(yè)場(chǎng)景中發(fā)揮著巨大作用。運(yùn)動(dòng)控制最早起源于電機(jī)控制，電機(jī)控制的任務(wù)是控制單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，位置等參數(shù)，使電機(jī)完成規(guī)定的動(dòng)作。而運(yùn)動(dòng)控制是在電機(jī)控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)電機(jī)控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)協(xié)調(diào)多個(gè)電機(jī)完成指定的運(yùn)動(dòng)。復(fù)雜精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用在大大降低生產(chǎn)成本的同時(shí)也減少了加工中誤操作的發(fā)生，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。如今工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展，多種多樣的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于物流行業(yè)與大型裝配生產(chǎn)線。

頻繁出現(xiàn)在我們視野中的機(jī)械臂就是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)助力工業(yè)生產(chǎn)最關(guān)鍵的一環(huán)，目前世界上最先進(jìn)的機(jī)械臂擁有7個(gè)無(wú)齒輪關(guān)節(jié)，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)同時(shí)協(xié)調(diào)7個(gè)電機(jī)，機(jī)械臂便可以輕松抓取空間內(nèi)任何一個(gè)位置的物體。不僅如此它還能實(shí)現(xiàn)其他復(fù)雜的功能，它甚至幫助人們打掃衛(wèi)生或是彈奏樂(lè)器。

前幾年，在網(wǎng)絡(luò)上大火的掃地機(jī)器人就是運(yùn)動(dòng)控制的一個(gè)縮影。掃地機(jī)器人制定好運(yùn)動(dòng)路線，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)便會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行不同的動(dòng)作，使掃地機(jī)器人高效完成任務(wù)。在工廠中，機(jī)械臂被廣泛應(yīng)用于裝配生產(chǎn)線，在汽車制造流水線上，機(jī)械臂可以輕松舉起幾十公斤甚至上百公斤的零件完成焊接和組裝。我們可以看到，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅應(yīng)用于工業(yè)中，在最貼近我們的生活中也不難發(fā)現(xiàn)它們的身影。

要想了解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，需要重點(diǎn)了解的就是運(yùn)動(dòng)命令的執(zhí)行者們——電機(jī)。應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電機(jī)大多為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，下面小編就為大家簡(jiǎn)單介紹一下兩種電機(jī)。

1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)可以把輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，在步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)作的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，位置，加減速度只取決于脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，他就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。稱之為“步距角“它的旋轉(zhuǎn)是一步步地進(jìn)行，每步轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，步進(jìn)電機(jī)的名字就是因此而來(lái)。

2 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)把收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移輸出，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

兩種電機(jī)的比較

1 控制方式不同

步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，伺服電機(jī)采用閉環(huán)控制，兩種控制方法的不同在于閉環(huán)控制會(huì)比較目標(biāo)值與實(shí)際值，調(diào)整電機(jī)位置，相比之下伺服電機(jī)的控制精度要優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。

2 控制精度不同

步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)越多，它的精度就越高。2相電機(jī)成本低，但在低速時(shí)震動(dòng)較大，高速時(shí)力矩下降快，5相電機(jī)則震動(dòng)較小，高速性能好，比2相電機(jī)的速度高30~50%，甚至可在某些場(chǎng)合取代伺服電機(jī)。伺服電機(jī)自帶編碼器，編碼器的刻度越多，精度越高。一般情況下伺服電機(jī)的精度相當(dāng)于步距角為0.036度的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)然并沒(méi)有這么小步距角的步進(jìn)電機(jī)，一般步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8，上邊僅僅是打個(gè)比方，由此可見，在實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，伺服電機(jī)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越步進(jìn)電機(jī)。

3 低頻特性不同

不同于伺服電機(jī)，雖然在低速時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)克服低速震動(dòng)現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)仍極易出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，而伺服電機(jī)不管在高速還是低速時(shí)都不會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象。

4 運(yùn)動(dòng)性能不同

步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大容易造成丟步現(xiàn)象，停轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，伺服電機(jī)為閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成速度環(huán)和位置環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步或過(guò)沖現(xiàn)象。

5 速度相應(yīng)不同

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而伺服電機(jī)一般只需要幾毫秒，可用于要求快速起停的控制場(chǎng)合。

從上邊的比較來(lái)看，伺服電機(jī)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，那是不是我們?cè)谶x電機(jī)型號(hào)的時(shí)候全選伺服電機(jī)就行了呢？并不是這樣的，伺服電機(jī)的價(jià)格會(huì)遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)則會(huì)在性價(jià)比方面完勝伺服電機(jī)，在掌握兩種電機(jī)的特性后，根據(jù)不同需要，選擇合適類型的電動(dòng)機(jī)尤為重要。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)并不只是由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，相比它們更為重要的是控制，協(xié)調(diào)多個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制方案或算法。像是有這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)盤上纏滿了膠卷，為實(shí)現(xiàn)膠卷能在不斷裂的情況下，以設(shè)定的膠卷纏繞速度，從一個(gè)轉(zhuǎn)盤放卷然后收卷到另一個(gè)轉(zhuǎn)盤。在膠卷纏繞的過(guò)程中，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的卷徑會(huì)不斷變化，為保證膠卷不斷裂并且符合規(guī)定的膠卷纏繞速度，需要不斷調(diào)整兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就需要用到PID算法，做閉環(huán)控制，讓被控對(duì)象：張力的反饋值影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如此一來(lái)，依靠伺服電機(jī)響應(yīng)快的性能，當(dāng)張力過(guò)大時(shí)降低轉(zhuǎn)速，當(dāng)張力過(guò)小時(shí)加快轉(zhuǎn)速。在不斷的調(diào)整下，膠卷的張力和纏繞速度達(dá)到要求。

除PID算法之外，在6自由度甚至7自由度的機(jī)械臂控制系統(tǒng)也會(huì)用到運(yùn)動(dòng)差補(bǔ)算法確保機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)到指定位置。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案的好壞決定了系統(tǒng)是否安全可靠，是否效率很高。擁有優(yōu)秀的方案設(shè)計(jì)能力，會(huì)使我們自己也更具競(jìng)爭(zhēng)力。

審核編輯 黃昊宇