淺談我國電力傳動系統(tǒng)和運動控制的發(fā)展狀況

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一、引言

電力傳動系統(tǒng)是指那些把電能到機械能的轉(zhuǎn)化主要由電動機完成，由電動機拖動生產(chǎn)機械來運動的控制系統(tǒng)。電力傳動由電動機、傳動機構(gòu)和電氣控制裝置組成。

運動控制(Motion Control)是自動化的一個分支，它是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制方案、指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)機械運動精確的位置、速度或轉(zhuǎn)矩控制。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的類型，運動控制分為電動、氣動與液壓3種[1]。一個運動控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)組成包括一個運動控制器、一個驅(qū)動或放大器、一個執(zhí)行器以及一個反饋傳感器。

可以看出，電力傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)運動控制的最主要手段。而電力電子技術(shù)得到應(yīng)用之后，曾保持幾十年的電力傳動控制系統(tǒng)面貌得以改變，從“機組時代”發(fā)展到了“電子電子時代”。

二、發(fā)展電力傳動和運動控制的重要性

(一)電力電子與電力傳動的重要性

隨著國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的發(fā)布，可以看出我國越來越重視對電力電子與電力傳動技術(shù)的研究。其已廣泛地在“綱要”所規(guī)定的“重點領(lǐng)域及其優(yōu)先主題”、“前沿技術(shù)”和“重大專項”中的各個重要領(lǐng)域中得到應(yīng)用及滲透，包括制造業(yè)、交通運輸業(yè)、國防、空天技術(shù)和高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造技術(shù)等。并且電力電子恰恰是關(guān)系到上述領(lǐng)域中我國許多引進技術(shù)中的核心技術(shù)所在[2]。其次，電力電子技術(shù)已成為當今任何高新技術(shù)系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門[3]。

由于我國目前還處于前工業(yè)化階段，國內(nèi)整體工業(yè)化尚未完成，為了趕上世界經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進入信息化和知識經(jīng)濟的時代的步伐，中央提出了“大力發(fā)展信息化，以信息化帶動工業(yè)化”的方針。國務(wù)院內(nèi)更是在“十七大”后設(shè)立了工業(yè)與信息化部，提出了“工業(yè)化信息化融合”的發(fā)展路線。成功融合正是要靠電力電子技術(shù)，因為電力電子正是信息化與工業(yè)設(shè)備必要的接口[4]。

(二)運動控制的重要性

機器的本質(zhì)特征是運動，而保障如機器人等各類先進裝備的現(xiàn)代機器高效和高質(zhì)運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是運動控制系統(tǒng)，所以其在國防軍工和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。運動控制技術(shù)是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)[5]，尤其是在制造業(yè)，發(fā)展先進運動控制技術(shù)更具重要意義[6]。

其主要表現(xiàn)在先進運動控制技術(shù)能夠滿足現(xiàn)代制造業(yè)對裝備精度和速度的要求，已成為了制造業(yè)裝備的核心；而制造業(yè)作為我國處在工業(yè)化進程中的支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品也需要通過先進運動控制技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)備來控制。

三、電力傳動和運動控制的市場趨勢

隨著《中國制造2025》的提出，智能制造等概念的已深入推廣，中國也將大力發(fā)展高檔數(shù)控機床和機器人、先進軌道交通裝備、航空航天裝備以及新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等十大領(lǐng)域。這對自動化產(chǎn)業(yè)來說是前所未有的機遇，而運動控制作為自動化產(chǎn)業(yè)的一個分支，也必將擁有巨大的市場潛力。

由于OEM行業(yè)受挫嚴重，運動控制器方面的整體市場在2015年出現(xiàn)了負增長，但在2016年就重新恢復(fù)到了4.9%，而隨著中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的深入，未來幾年控制器領(lǐng)域?qū)⒈３址€(wěn)定增長。

運動控制器可以分為單片機或微處理器控制器、專用芯片控制器和工控機。2017年這三類運動控制器的市場規(guī)模占比分別為單片機29.6%，專用芯片控制器38.7%，工控機31.7%。其中，工控機主要用于機器人、半導(dǎo)體等領(lǐng)域；專用控制器主要用于機床、紡織等領(lǐng)域；單片機主要用于包裝機械等領(lǐng)域。隨著近年來我國機器人和半導(dǎo)體行業(yè)的大力擴產(chǎn)，工控機的占比正在快速提高。

四、電力傳動系統(tǒng)和運動控制的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

(一)電力傳動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

目前我國電力傳動系統(tǒng)的研究主要圍繞交流轉(zhuǎn)動系統(tǒng)展開，隨著交流電動機調(diào)速理論的突破和調(diào)速裝置(主要是變頻器)性能的完善，電動機的調(diào)速從直流發(fā)電機-電動機組調(diào)速、晶閘管可控整理器，直流調(diào)壓調(diào)速逐步發(fā)展到交流電動機變頻調(diào)速[7]。

目前提高我國電力傳動系統(tǒng)性能的主要方法和控制策略的趨勢總體來說有以下幾點：應(yīng)用PWM技術(shù)、微電子技術(shù)、矢量控制技術(shù)、直接扭矩技術(shù)和直線電機，并應(yīng)用現(xiàn)代化控制理論；其次，因為單純的自動控制系統(tǒng)不能對跟隨傳動工作而不斷改變的參數(shù)誤差進行準確修正，而利用模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等手段的智能化控制系統(tǒng)可以妥善地解決這一問題，因此智能化控制也必將成為趨勢。

(二)運動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

運動控制系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，直流到交流，開環(huán)到閉環(huán)，直到基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制和基于PC的伺服控制過程。而運動控制技術(shù)，在制造業(yè)和機電裝備領(lǐng)域的發(fā)展主要經(jīng)歷了早期的步進和模擬時代，20世紀70年代的直流模擬時代，20世紀80年代的交流模擬時代，20世紀90年代的數(shù)字/模擬/脈沖混合控制的數(shù)字化初級時代，再到21世紀的全數(shù)字化時代。而目前我國運動控制技術(shù)正處于數(shù)字/模擬/脈沖混合控制時代[6]，主流為基于PC的控制技術(shù)，采用PC+控制卡的控制器結(jié)構(gòu)，并廣泛采用脈沖控制方式和基于DSP的脈沖控制式數(shù)字伺服系統(tǒng)。從表面來看，我國目前廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)采用了工業(yè)PC和DSP等進行數(shù)字信息處理和數(shù)字控制，但本質(zhì)上該系統(tǒng)在信息處理、傳遞和執(zhí)行等環(huán)節(jié)都是用脈沖形式進行的，仍屬于“脈沖控制”系統(tǒng)。

當今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，而網(wǎng)絡(luò)化全數(shù)字也已經(jīng)成為了如今運動控制的主流。可以看出，運動控制技術(shù)總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

五、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力傳動系統(tǒng)和運動控制技術(shù)也在不斷地進步，推動電力傳動系統(tǒng)運動控制的發(fā)展有利于我國工業(yè)化的進程和推動我國經(jīng)濟發(fā)展，但同時我們也要意識到目前我國在電力傳動系統(tǒng)運動控制技術(shù)上的不足，找到核心問題，走獨立自主創(chuàng)新的道路，爭取跟上并超過世界技術(shù)發(fā)展的潮流，實現(xiàn)控制技術(shù)的全面數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，并將新技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。