工業(yè)控制與自動化領(lǐng)域中，淺析運動控制系統(tǒng)

運動控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的核心之一，在印刷，包裝，裝配等工業(yè)場景中發(fā)揮著巨大作用。運動控制最早起源于電機控制，電機控制的任務(wù)是控制單個電機轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，位置等參數(shù)，使電機完成規(guī)定的動作。而運動控制是在電機控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對多個電機控制，運動控制系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)多個電機完成指定的運動。復(fù)雜精密運動控制系統(tǒng)的應(yīng)用在大大降低生產(chǎn)成本的同時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)自動化技術(shù)飛速發(fā)展，多種多樣的運動控制系統(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)在我們視野中的機械臂就是運動控制系統(tǒng)助力工業(yè)生產(chǎn)最關(guān)鍵的一環(huán)，目前世界上最先進的機械臂擁有7個無齒輪關(guān)節(jié)，每個電機驅(qū)動一個關(guān)節(jié)運動。機械臂正常運行時，運動控制系統(tǒng)同時協(xié)調(diào)7個電機，機械臂便可以輕松抓取空間內(nèi)任何一個位置的物體。不僅如此它還能實現(xiàn)其他復(fù)雜的功能，它甚至幫助人們打掃衛(wèi)生或是彈奏樂器。

前幾年，在網(wǎng)絡(luò)上大火的掃地機器人就是運動控制的一個縮影。掃地機器人制定好運動路線，運動控制系統(tǒng)便會驅(qū)動電機執(zhí)行不同的動作，使掃地機器人高效完成任務(wù)。在工廠中，機械臂被廣泛應(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，運動控制系統(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。

要想了解運動控制系統(tǒng)，需要重點了解的就是運動命令的執(zhí)行者們——電機。應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)的電機大多為步進電機和伺服電機，下面小編就為大家簡單介紹一下兩種電機。

1 步進電機

步進電機可以把輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，在步進電機正常運作的情況下，電機的轉(zhuǎn)速，位置，加減速度只取決于脈沖信號的頻率和個數(shù)，而不受負載變化的影響。當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，他就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。稱之為“步距角“它的旋轉(zhuǎn)是一步步地進行，每步轉(zhuǎn)動一個步距角，步進電機的名字就是因此而來。

2 伺服電機

伺服電機把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移輸出，伺服電機驅(qū)動器控制三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在磁場的作用下轉(zhuǎn)動。伺服電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。

兩種電機的比較

1 控制方式不同

步進電機采用開環(huán)控制，伺服電機采用閉環(huán)控制，兩種控制方法的不同在于閉環(huán)控制會比較目標值與實際值，調(diào)整電機位置，相比之下伺服電機的控制精度要優(yōu)于步進電機。

2 控制精度不同

步進電機的相數(shù)越多，它的精度就越高。2相電機成本低，但在低速時震動較大，高速時力矩下降快，5相電機則震動較小，高速性能好，比2相電機的速度高30~50%，甚至可在某些場合取代伺服電機。伺服電機自帶編碼器，編碼器的刻度越多，精度越高。一般情況下伺服電機的精度相當于步距角為0.036度的步進電機，當然并沒有這么小步距角的步進電機，一般步進電機的步距角為1.8，上邊僅僅是打個比方，由此可見，在實現(xiàn)高精度運動控制時，伺服電機的性能遠遠超越步進電機。

3 低頻特性不同

不同于伺服電機，雖然在低速時步進電機會采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)克服低速震動現(xiàn)象。步進電機在低速時仍極易出現(xiàn)震動現(xiàn)象，而伺服電機不管在高速還是低速時都不會出現(xiàn)震動現(xiàn)象。

4 運動性能不同

步進電機為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大容易造成丟步現(xiàn)象，停轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，伺服電機為閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成速度環(huán)和位置環(huán)，一般不會出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象。

5 速度相應(yīng)不同

步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而伺服電機一般只需要幾毫秒，可用于要求快速起停的控制場合。

從上邊的比較來看，伺服電機在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，那是不是我們在選電機型號的時候全選伺服電機就行了呢？并不是這樣的，伺服電機的價格會遠高于步進電機，步進電機則會在性價比方面完勝伺服電機，在掌握兩種電機的特性后，根據(jù)不同需要，選擇合適類型的電動機尤為重要。

運動控制系統(tǒng)并不只是由電機和驅(qū)動器構(gòu)成，相比它們更為重要的是控制，協(xié)調(diào)多個電機運動的控制方案或算法。像是有這樣一個運動系統(tǒng)，由兩個電機帶動的轉(zhuǎn)盤上纏滿了膠卷，為實現(xiàn)膠卷能在不斷裂的情況下，以設(shè)定的膠卷纏繞速度，從一個轉(zhuǎn)盤放卷然后收卷到另一個轉(zhuǎn)盤。在膠卷纏繞的過程中，兩個轉(zhuǎn)盤的卷徑會不斷變化，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)整兩電機的轉(zhuǎn)速，這就需要用到PID算法，做閉環(huán)控制，讓被控對象：張力的反饋值影響電機的轉(zhuǎn)速。如此一來，依靠伺服電機響應(yīng)快的性能，當張力過大時降低轉(zhuǎn)速，當張力過小時加快轉(zhuǎn)速。在不斷的調(diào)整下，膠卷的張力和纏繞速度達到要求。

除PID算法之外，在6自由度甚至7自由度的機械臂控制系統(tǒng)也會用到運動差補算法確保機械臂運轉(zhuǎn)到指定位置。運動控制系統(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)計能力，會使我們自己也更具競爭力。

審核編輯 黃昊宇