電力傳動系統運動控制發展與展望

(廣東工業大學自動化學院 廣東 廣州 525000)

一、概述

運動控制(Motion Control)是在電機驅動的基礎上,隨著相關學科技術發展而形成的一門多學科交叉技術。它指在復雜條件下,將預定的控制方案、指令轉變成期望的機械運動,實現機械運動精確的位置控制、速度控制或轉矩控制。[1]

隨著計算機技術、電力電子技術和傳感器技術的發展,各發達國家的機電一體化產品層出不窮,它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業競爭力等方面起著巨大的作用。在機電一體化技術迅速發展的同時,運動控制技術作為其關鍵組成部分,也得到前所未有的大發展。在強勁的市場需求的推動下,國內外各個廠家相繼推出運動控制的新技術、新產品。

信息時代的高新技術推動了傳統產業的迅速發展,在機械工業自動化中出現了一些運動控制新技術,主要包括:全閉環交流伺服驅動技術(FullClosedAC Servo)、直線電機驅動技術(LinearMotorDriving)、網際開放式結構高性能DSP多軸運動控制技術、可編程控制器運動控制系統(ProgrammableComputerController,PCC)、基于現場總線的運動控制技術(CANbus-basedMotion Controller)、運動控制卡(Motion ControllingBoard)等。

該技術的發展趨勢將是數字化、網絡化和智能化。

二、電力傳動系統運動控制的重要性

隨著我國整體實力的快速增長，多個行業對電力以及運動控制的需求和要求越來越高，如機械行業、交通行業、石油化工行業、環保行業、國防及航天等，因此加強對電力傳動系統運動控制的研究，提高其水平具有比較重要意義[2]，是國家工業化和現代化進程不可或缺的一部分，是我國現代工業的支柱。

不僅如此，電力傳動系統運動控制還是精密制造技術的核心。精密制造主要分布在汽車、航空和機床制造裝備等高技術含量制造業領域[3]。以機械精密制造為例，機械制造類企業依托精密制造技術在產品制造過程中的應用，能夠實現對產品性能的顯著提升，同時也實現了產品生產工藝的革新。此類技術通常被機械制造類企業應用于對高速位置芯片環、伺服電機、機械傳動鏈剛度等方面的研發制作之中[4]。對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統和機床支承及輔助單元系統等功能部件和驅動控制系統的監控技術，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質量等在線監控技術進行研究，這些研究都離不開電力傳動運動控制技術，其在精密制造之中起著核心的作用。

三、市場發展趨勢

現代工業產品對性能、可靠性、使用壽命、成本和小型化等的要求越來越高。近年來，中國運動控制產品(通用伺服系統、步進系統、運動控制器)穩步增長，增速高于新常態下GDP的增長。尤其是機床、紡織、印刷、包裝和電子等行業的快速發展有力帶動了對運動控制器的需求。通過運動控制器作為伺服系統的控制裝置，其市場規模受到伺服系統的直接影響；運動控制器需求量保持穩定增長。2013年中國運動控制器市場需求依舊相對穩定，增速約為19%，需求量在90萬套左右。從產品層面分析，運動控制系統產品有了更高的關鍵性指標：控制精度、穩定性、動態響應、轉矩脈動、高速性能、智能控制和網絡支持。有數據顯示，全球運動控制硬件市場在2015年遭遇強烈震蕩，與2014年同期相比，市場下滑10.6%，規模約104億美金。運動控制市場很大程度上取決于下游機械設備制造行業的景氣度，2015年機床(金屬切削機床、金屬成形機床)超運動控制銷售額的40%，特別是數控產品高度集中于機床行業，超過八成的數控產品銷售額來自于該行業，此外，機器人和智能手機相關的電子裝聯行業表現突出，強力支撐通用運動控產品的需求。隨著工業4.0、智能制造、工業物聯網等概念的深入推廣與逐步落地，極大地推動了運動控制產品在工業以太網、模塊化及分布式伺服驅動器、深度軟件開發等領域的發展，要求實時、高效的工業設備通訊。據有關權威部門預計，截至2020年，超六成的驅動器及近三成的運動控制器采用工業以太網技術。隨著行業應用的不斷拓展，工業智能化和網絡化的深度推進，運動控制系統部件市場將走向更加成熟、穩健的發展軌道。

四、運動控制技術的發展趨勢

電力傳動系統運動控制技術的發展趨勢主要體現在系統硬件體系結構的發展趨勢和系統控制技術的發展趨勢兩個方面。

控制系統硬件體系結構多采用工業控制計算機、PLC、單片機或單板機等。今年來逐漸向開放數控系統發展。未來，運動控制系統硬件體系結構將趨于多樣化、精確化和規范化。由于工業和市場的需要，硬件體系結構也隨著不斷地變化和發展，出現越來越多的結構滿足生產和生活需求；當市場需求提高時，對產品的要求自然也提高，要求硬件體系結構更加精確減少出現錯誤；工業生產力和生產水平不斷提高的同時，將會制定一系列的規則，讓企業和企業之間，廠商和廠商之間溝通更加高效，這時候就需要運動控制系統硬件體系結構規范化。

運動控制系統技術發展趨勢將是數字化、網絡化和智能化。

(1)數字化。從運動控制系統的發展過程可以得到以下結論:基于以DSP控制器構成運動控制系統可滿足任意場合的需要,是運動控制技術一個重要的發展方向。運動控制器從最初的單片機或微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器發展到今天的基于PC總線的以DSP和FP-GA作為核心處理器的開放式運動控制器,運動控制技術也由面向傳統的數控加工行業專用控制技術而發展為具有開放結構、能結合具體應用要求而快速重組的先進運動控制技術。

(2)網絡化。微處理器的發展,使數字控制器簡單而又靈活,同時為聯網提供了可能。隨著系統規模的擴大和系統復雜性的提高,單機的控制系統越來越少,取而代之的是大規模的多機協同工作的高度自動化的復雜系統,這就需要計算機網絡的支持,傳動設備及控制器作為一個節點聯到現場總線或工業控制網上,實現集中的或分散的生產過程的實時監控。

(3)智能化。借助數字和網絡技術,智能控制已經深入到運動控制系統的各個方面,例如:模糊控制、神經網絡控制、解耦控制等,各種觀測器和辨識技術應用于運動控制系統中,大大地改善了控制系統的性能,為控制系統走向復雜的多層的網絡控制提供了可能。