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在進入21世紀信息時代的高新技術(shù)推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,在機械工業(yè)自動化中出現(xiàn)了一些運動控制新技術(shù):全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、直線電機驅(qū)動技術(shù)、可編程計算機控制器、運動控制卡等。本文主要分析和綜述了這些新技術(shù)的基本原理、特點以及應用現(xiàn)狀等。
關(guān)鍵詞:伺服驅(qū)動技術(shù),直線電機,可編程計算機控制器,運動控制
1 引言
信息時代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè),在這場新技術(shù)革命沖擊下,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變,微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機械裝置和動力設備相結(jié)合,促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術(shù)革命。
隨著計算機技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,各先進國家的機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、彈簧機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業(yè)機器人、智能機器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注,它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時,運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分,也得到前所未有的大發(fā)展,國內(nèi)外各個廠家相繼推出運動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)(Full Closed AC Servo)、直線電機驅(qū)動技術(shù)(Linear Motor Driving)、可編程序計算機控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和運動控制卡(Motion Controlling Board)等幾項具有代表性的新技術(shù)。
2 全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)
在一些定位精度或動態(tài)響應要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中,交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣泛,其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流,而且調(diào)試、使用十分簡單,因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了先進的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP),可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣,在驅(qū)動器和電機之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng),并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力,自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié),甚至可以跟蹤負載變化,實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益;有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換(FFT)的功能,測算出設備的機械共振點,并通過陷波濾波方式消除機械共振。
一般情況下,這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式,即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環(huán),也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度,應在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件(如:光柵尺、光電編碼器等),即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是:伺服系統(tǒng)只接受速度指令,完成速度環(huán)的控制,位置環(huán)的控制由上位控制器來完成(大多數(shù)全閉環(huán)的機床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣)。這樣大大增加了上位控制器的難度,也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前,國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng) , 使得高精度自動化設備的實現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷,伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等),作為位置環(huán),而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙(如齒輪間隙、絲杠間隙等),補償機械傳動件的制造誤差(如絲杠螺距誤差等),實現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能,獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅(qū)動器來完成,無需增加上位控制器的負擔,因而越來越多的行業(yè)在其自動化設備的改造和研制中,開始采用這種伺服系統(tǒng)。
3 直線電機驅(qū)動技術(shù)
直線電機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用,近幾年來已在世界機床行業(yè)得到重視,并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起"直線電機熱"。
在機床進給系統(tǒng)中,采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺(拖板)之間的機械傳動環(huán)節(jié),把機床進給傳動鏈的長度縮短為零,因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式,帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。
1. 高速響應 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應時間常數(shù)較大的機械傳動件(如絲杠等),使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高,反應異常靈敏快捷。
2. 精度 直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差,減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機床的定位精度。
3. 動剛度高 由于"直接驅(qū)動",避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象,同時也提高了其傳動剛度。
4. 速度快、加減速過程短 由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車(時速可達500Km/h),所以用在機床進給驅(qū)動中,要滿足其超高速切削的最大進個速度(要求達60~100M/min或更高)當然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應性,使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速,高速運行時又能瞬間準停?？色@得較高的加速度,一般可達2~10g(g=9.8m/s2),而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程長度不受限制 在導軌上通過串聯(lián)直線電機,就可以無限延長其行程長度。
6. 運動動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦,且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸),其運動時噪音將大大降低。
7. 效率高 由于無中間傳動環(huán)節(jié),消除了機械摩擦時的能量損耗,傳動效率大大提高。
直線傳動電機的發(fā)展也越來越快,在運動控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運動控制相對發(fā)達的國家已開始推廣使用相應的產(chǎn)品,其中美國科爾摩根公司(Kollmorgen)的 PLATINNM DDL系列直線電機和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng),它能提供很高的動態(tài)響應速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動;德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應用直線電機。
4 可編程計算機控制器技術(shù)
自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器(Programming Logical Controller,PLC)問世以來,PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程,尤其是隨著近代計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,它已在軟硬件技術(shù)方面遠遠走出了當初的"順序控制"的雛形階段?？删幊逃嬎銠C控制器(PCC)就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。
與傳統(tǒng)的PLC相比較,PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務操作系統(tǒng)和多樣化的應用軟件的設計。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導致了PLC的"控制速度"依賴于應用程序的大小,這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題,它采用分時多任務機制構(gòu)筑其應用軟件的運行平臺,這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關(guān),而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此,它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來,滿足了實時控制的要求。當然,這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下,按照用戶的實際要求,任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng),PCC的應用程序由多任務模塊構(gòu)成,給工程項目應用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求,如運動控制、數(shù)據(jù)采集、報警、PID調(diào)節(jié)運算、通信控制等,分別編制出控制程序模塊(任務),這些模塊既獨立運行,數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián),這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試之后,可一同下載至PCC的CPU中,在多任務操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運行,共同實現(xiàn)項目的控制要求。
PCC在工業(yè)控制中強大的功能優(yōu)勢,體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計算機及DCS(分布式工業(yè)控制系統(tǒng))技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流,雖然這還是一項較為年輕的技術(shù),但在其越來越多的應用領(lǐng)域中,它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?BR> 5 運動控制卡
運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機 、 用于各種運動控制場合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因為:(1)為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求;(2)在各種工業(yè)設備(如包裝機械、印刷機械等)、國防裝備(如跟蹤定位系統(tǒng)等)、智能醫(yī)療裝置等設備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中,急需一個運動控制模塊的硬件平臺;(3)PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應用,也促使配備相應的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心,大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地 , 運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu):PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作 ( 例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等);控制卡完成運動控制的所有細節(jié)(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業(yè)中設備自動化的各個領(lǐng)域。
這種運動控制模式在國外自動化設備的控制系統(tǒng)中比較流行,運動控制卡也形成了一個獨立的專門行業(yè),具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運動控制卡。在國內(nèi)相應的產(chǎn)品也已出現(xiàn),如成都步進機電有限公司的DMC300系列卡已成功地應用于數(shù)控打孔機、汽車部件性能試驗臺等多種自動化設備上。
6 結(jié)束語
計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,推動著工業(yè)運動控制技術(shù)不斷進步,出現(xiàn)了諸如全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、直線電機驅(qū)動技術(shù)、可編程計算機控制器、運動控制卡等許多先進的實用技術(shù),為開發(fā)和制造工業(yè)自動化設備提供了高效率的手段。這也必將促使我國的機電一體化技術(shù)水平不斷提高，也為中國彈簧機械設備由進口發(fā)展為出口大國的技術(shù)保證。