試析機電系統中的數字控制技術

摘要：在這個以“科技”為主題的現代化機電控制系統中，關鍵領域的科學技術就取決于數控技術，它集多種高新技術為一體，其中包括了微電子與計算機技術，信息處理與自動檢測、控制技術等。它們都具有高精度、高效率的特點，柔性自動化能力強，便于實現制造業的集成化、自動化、智能化。文章通過論述數字控制技術幾個方面的新發展與變化，希望能夠為機電系統的設計提供一點幫助。

關鍵詞：智能數控；伺服控制；現場總線；DSP；PCC

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0086-03

1 全方位數字閉環的伺服控制技術

以物體的方位、位置、姿式等作為被控量，是數字控制系統中的伺服系統。這種控制系統的根本目的就是按照系統給予的速度以及運動軌跡，任意變化跟蹤目標，來實現準確的跟蹤與定位的一種技術。它需要保障系統中有充足的能量，才能推動負載輸入指令，在規律的運作下，輸入與輸出的偏差，不得超出規定的范圍。伺服系統作為一個高性能、高技術的產品，在一些定位精度與動態響應下，可以提供靈活、準確、快速、方便的驅動，這使得它在較高的機電一體化產品中，得到廣泛的應用。其中符合數字化控制模式的數字式伺服系統，非常跟得上數字控制技術的潮流，它在調試方面廣受好評，使用起來也非常簡單。

最近一段時間，工控機控制技術在大部分的交流伺服系統中都廣泛被采用。為了使操作簡單易學，提供友好的人機界面給操作員，因而采用工控機與下位機的通信。同時，還采用DSP（專用數字信號處理器）與新型高速微處理器的伺服控制技術，將全方位替代以模擬為電子器件為主的伺服控制技術。使DSP的高速運算能力得到充分發揮，增強調節功能，自動完成整個伺服系統，甚至還可以實時調節系統增益，負載跟蹤其中的變化。為了將原來的硬件伺服控制轉變為軟件伺服控制，實現全方位數字化的閉環伺服控制，提高系統的定位精準度與動態響應的速度，有部分驅動器具備快速傅立葉變換的功能，將設備的機械共振點測算出來，再通過陷波濾波的方式，消除機械共振。以下就是PC運動控制卡的閉環伺服控制系統圖。

圖1 全數字閉環伺服控制系統組成結構圖

2 先進的現代化數字伺服驅動技術

傳統的工業控制單元需要向信息化、數字化轉變，是因為信息技術的發展。正是由于信息技術與傳統驅動技術相結合，才會出現代表它們的數字驅動技術，這將是21世紀伺服驅動領域里的關鍵技術之一。同時，伺服系統中數字化的交流應用也日趨廣泛，客戶對伺服驅動技術的要求也越來越高，引起了世界各國的研究興趣，受到了廣泛的關注。

2.1 直線的電機驅動技術

直線電機在原理上與普通電機的原理相似，類型與傳統電機相同，都是電機圓柱面的展開。但直線伺服系統采用的電機驅動方式卻有所不同，它采用的是一種直線電機驅動方式。相比于傳統的旋轉方式，取消了電動機到工作臺間的全部機械化傳動環節，成為了它最大的特點。這種方式把機床進給的傳動鏈長度縮短為0，我們稱這種方式為“零傳動”。

不久前，我們發現了直線電機及其驅動控制技術的進展，主要表現在以下幾個方面：溫升下降，體積變小；成本幅度降低；性能逐漸提高；可靠性加強；商品化程度加深；安裝與防護簡便；品種覆蓋面廣，可滿足不同類型的機床要求；包括數控系統在內的配套技術逐漸完善。

2.2 基于DSP的伺服驅動技術

以數字信號處理大量信息的器件是現今剛出現的一種獨特的微型處理器，簡稱DSP。它具有可編程性，可在實時運行中通過DSP來處理，速度高達每秒上萬條的指令，這種電腦芯片在數字化電子世界日趨重要。它最值得我們稱贊的兩大特色分別是強大的數據處理能力與高速的運行速度。這種處理器現在廣泛地運用于社會的各個領域，例如軍事、圖像處理、醫療、家用電器、語音等。

采用運算放大器、電阻、電容等模擬器件來實現的傳統電機控制技術，它所使用的設備體積大、可重復性差、穩定性方面容易受其他因素的影響。而高性能的DSP處理器，它是一種數字式控制器，除了能很好地克服模擬式控制器的所有缺點，它還具備了數字式控制器的特有優點。通過數字化控制，既可以排除模擬電路的非線性誤差，又可以調整誤差以及溫度漂移等帶來的影響，還可以大幅度提高伺服系統的性能。同時，為了可以實現先進的控制算法，如矢量、最優、自適應控制等，我們使用DSP處理器，利用它的特性把控制性能進一步提升。下面展示的就是以DSP為核心的數字化控制系統圖。

圖2 基于DSP的伺服控制系統

2.3 可編程的計算機控制器技術

新型工業的控制裝置以計算機技術、自動控制技術、通訊技術為一體，是一種可編程的計算機控制器。早在上個世紀60年代，可編程控制技術就已經誕生。它從最初的編程邏輯控制器到可編程控制器，到今天出現的PCC。相較于傳統的PLC，類似于大型計算機的分時多任務操作系統和多元化的應用軟件設計，就是如今PCC的最大特點。它采用了分時多任務機制，構筑應用軟件的運行平臺，將應用程序的掃描周期與外部的控制周期加以區別，實現實時控制的要求，解決了PLC中控制速度的依賴性問題。PCC可靠性高，能在惡劣的環境下使用，擁有良好的兼容性。它的硬件模塊品種多樣，使用高級的編程語言，功能函數豐富，各種工業控制的需要都能適應。

2.4 現場總線的控制技術

在生產現場，我們將在檢測控制設備之間實現雙向、多點、串行的數字通信系統稱之為“現場總線”。它是適應實際需要發展起來的一種自動化控制系統，它發展速度快，現處于市場的巔峰階段。現場總線的控制系統，既是一種利用計算機在開放的局域通信網絡產生的工業設備自動化控制的系統，又是一種全分布控制系統。它作為連接網絡點的智能設備，成為智能設備的聯系紐帶，從而進一步地構成了分布式的智能化系統。

2.5 智能數控技術

具有擬人智能特征，能模擬、擴展、延伸智能行為的知識處理活動，我們就稱之為“智能化數控系統”。例如，自主學習、自我鎮定、自行繁殖、自主規劃等。高性能的智能化伺服系統就是研究智能數控系統的技術前提。先進的核心制造技術就是智能數控系統技術，智能數控系統技術影響綜合國力的水平，影響國家的戰略地位。在廣闊的市場競爭中，國內外大型的數控公司都是立志開發新型的、開放式的智能數控系統。而如今，我國在這方面的研究還處在低層次、低水平，實用化與國產化水平較低，還有待進一步研究。

3 結語

由于需要現代化的機電系統，因此，要求提高機電系統的控制力，尤其是對系統中的抗干擾性、適應性、靈活性的要求更高了。信息技術的高速發展，使得現代化控制理論在機電系統中充分得到應用，并做出了強力的保證。

參考文獻

[1] 曹國熙．機電系統中的數字控制技術分析與探討[J]．建筑·建材·裝飾，2008，9（4）：19-21．

[2] 呂春暉．全數字多通道電液運動控制器的研究與設計

[D]．河南科技大學，2008．

[3] 馬敬，章橋新，呂風華，等．現代機電系統中的數字控制技術[J]．船電技術，2008，28（1）：35-38．

（責任編輯：周 瓊）