运动控制系统

运动控制系统的简介

摘要: 本文介绍了运动控制的定义，产生背景，发展与应用历程，以及与其他学科的联系。对其某些控制手段和方式进行简单介绍，其中矢量控制篇幅较多。

关键词运动控制；控制方式；矢量控制；直接转矩控制

1.运功控制背景

运动控制起源于早期的伺服控制。“伺服”(Servo)一词最早出现在1873年法国工程师Farcot的一本书《Le Servo-Motor on Moteur Asservi》，描述了在轮船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达的工作原理。

H.Hazen完成了伺服控制理论的基础研究并发表在1934年9月的Franklin Institute 杂志上。1940年G.S. Brown在MIT创立了世界上第一个伺服机构实验室，并在1952研制出了世界上第一台数控铣床。1958年Kearney &Trecker开发了NC加工中心，同年，日本富士通和牧野 FRAICE公司开发成功NC铣床。1961 年G. Devol研制成功世界第一台机器人。随后被称为机器人之父的G.T. Engeleberger将其商业化成立了世界第一家机器人公司Unimation。1968年日本Kawasaki公司从Unimation 买进技术。机器人技术体现了运动控制和驱动传感器以及运动机构一体化的新思想。日本安川公司的工程师把这叫做机电一体化技术。自1973 年的石油危机以后，电气伺服成为市场主导，随着微电子技术和微型计算机技术的发展，交流伺服日趋成熟，为适应市场的多品种小批量的需求，以计算机控

制为核心的FMS (Flexible Manufacturing System) CIMS 和 FA (Factory Automation)技术应运而生(1975)。为适应电子芯片制造的需求，机电一体化技术和运动控制技术被广泛应用。

由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的NGC下一代控制器研究计划，该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念,其内容之一便是提出了开放系统体系结构标准规格(OSACA)。1996年开始，美国几个大的科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究内容，由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了OMAC开放式模块化体系结构控制器，其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。

2.运动控制的定义

动控制系统是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。

3.运动控制系统组成

4.运动控制手段

运动控制研究的是对电机转速的控制，即对电机进行调速。电机的速度变化是在某条机械特性下，由于负载改变而引起的，而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。一般，有三种调节电动机转速的方法：调节电枢供电电压、改变电枢回路电阻、减弱励磁磁通，其调速特点分别如下：

4.1调压调速

工作条件是保持励磁Φ和电阻R不变，调节过程：改变电压UN→U↓→n↓，n0↓。这种调节方式的调速特性是转速下降，机械特性曲线平行下移。

4.2调阻调速

工作条件保持励磁Φ和电压U不变，调节过程：增加电阻Ra→R↑→n↓，n0不变，这种调节方式的调速特性是转速下降，机械特性曲线变软。

4.3调磁调速

工作条件是保持电压U和电阻不变，调节过程为：减小励磁Φn →Φ↓→ n↑，n0↑，这种调节方式的调速特性是转速上升，机械特性曲线变软。

三种调速方法的性能与比较：改变电阻只能有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速，调压调速能在较大的范围内无级平滑调速

5.开环与闭环运动控制方式

5.1开环控制和闭环控制系统

开环控制是没有反馈控制的方式，闭环控制是通过反馈作用，通过偏差调节，最终消除偏差的控制方式。反馈控制系统的规律是，一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。

5.2开环控制和闭环控制比较

在工作原理上，开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。合闭环控制系统不管外部扰动或系统内部变化，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。

在结构组成上，开环系统没有检测设备，组成简单，但选用的元器件要严格保证质量要求。闭环系统具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

在稳定性的要求上，开环控制系统的稳定性比较容易解决。闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。

6.运动控制的双闭环调速方式

由于开环调速系统无法满足人们期望的性能指标，转速单闭环调速系统能够提高调速系统的稳态性能，但动态性能仍不理想。因此，采用转速、电流双闭环调速系统。转速、电流双闭环调速系统的组成

是把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

在负载电流小于I dm时表现转速负反馈起主要调节作用，当负载电流达到I dm后，转速调节器饱和，电流调节器起调节作用，电流调节器ACR的作用。转速调节器ASR的作用一是它使转速n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差，即速度调节。二是其输出限幅值决定电机允许的最大电流，即限制电机最大电流。一是作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化，即跟随作用。二是对电网电压的波动起及时抗扰的作用，即抗扰作用。三是在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程，即加快动态过程。四是当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的，即过流自动保护作用

7.矢量控制产生

由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

7.1矢量控制实现的基本原理

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转

矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

7.2基于转差频率控制的矢量控制方式

基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。

7.3无速度传感器的矢量控制方式

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量

控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

7.4矢量控制方式的效果

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。

目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。以异步电动机的矢量控制为例：

首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的．一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流．然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度．

最后，再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能．

8.直接转矩控制

直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。

8.1直接转矩控制方法

直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关

状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

8.2与矢量控制方式比较

与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。

9.运动控制与其他学科联系

9.1与电机学联系

电动机是运动控制系统的控制对象电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的运

动控制系统。

9.2与电力电子技术联系

以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。在运动控制系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性能。新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置，对改善电动机供电电源质量，提高系统运行性能，起到积极的推进作用。

9.3与微电子技术联系

微电子技术快速发展，各种高性能的大规模或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存容量、多功能的微处理器或单片微机的问世，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。

9.4与计算机控制技术联系

计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性。利用计算机控制、计算机仿真、计算机辅助设计提高可靠性、灵活性、方便性。

9.5与信号检测与处理技术联系

运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，最终缩小或消除偏差，运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。

由于实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰动信号对控制系统的正常运行产生不利的影响，严重时甚至会破坏系统的稳定性。为了保证系统安全可靠的运行，必须对实际检测的信号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感器输出信号的电压、极性和信号类型往往与控制器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般不能直接用于控制，需要进行信号转换和数据处理。

9.6与控制理论联系

控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依据。

10.运动控制发展历程

运动控制作为自动化技术的一个重要分支，在20世纪90年代国际上发达国家，已经进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，运动控制技术发展迅速，应用广泛。近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模.

目前，运动控制器从结构上主要分为如下三大类：

（1）基于计算机标准总线的运动控制器。它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成，这种运动控制器大都采用DSP或微机芯片作为CPU，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和PLC功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求在DOS或WINDOWS等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。

（2）Soft 型开放式运动控制器。它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中以安装各种品牌的声卡、CDROM 和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统从而提供给用户更多的选择和灵活性。Soft 型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展（3）嵌入式结构的运动控制器。这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式（采用针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网 RS485、SERCOS、PROFIBUS等现场网络通信

接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器甚至可以通过Internet 进行远程诊断。

11. 运动控制在国内的应用及发展

自20世纪80年代初期，通用运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品，目前，国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类：第一类是以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。第二类是以专用芯片ASIC作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。这类控制器对基本满足单轴的点位控制要求，这类运动控制器不能满足多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备要求。由于这类控制器不能提供连续插补功能，也没有前瞻功能（Look ahead），特别是对于大量的小线段连续运动的场合。如模具雕刻，不能使用这类控制器。第三类是基于PC总线的以DSP 和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。这类开放式运动控制器以DSP芯片作为运动控制器的核心处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机即“PC+运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结

合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高运动轨迹控制准、通用

性好的特点。这类运动控制器充分利用了DSP的高速数据处理功能和FPGA的超强逻辑处理能力，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制系统。这类产品通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。

参考文献

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