電力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展與展望

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 廣東 廣州 525000)

一、概述

運(yùn)動(dòng)控制(Motion Control)是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上,隨著相關(guān)學(xué)科技術(shù)發(fā)展而形成的一門多學(xué)科交叉技術(shù)。它指在復(fù)雜條件下,將預(yù)定的控制方案、指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制或轉(zhuǎn)矩控制。[1]

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,各發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮,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(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著巨大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí),運(yùn)動(dòng)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。在強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,國(guó)內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。

信息時(shí)代的高新技術(shù)推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,在機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化中出現(xiàn)了一些運(yùn)動(dòng)控制新技術(shù),主要包括:全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)(FullClosedAC Servo)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)(LinearMotorDriving)、網(wǎng)際開(kāi)放式結(jié)構(gòu)高性能DSP多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、可編程控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(ProgrammableComputerController,PCC)、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)(CANbus-basedMotion Controller)、運(yùn)動(dòng)控制卡(Motion ControllingBoard)等。

該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

二、電力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的重要性

隨著我國(guó)整體實(shí)力的快速增長(zhǎng)，多個(gè)行業(yè)對(duì)電力以及運(yùn)動(dòng)控制的需求和要求越來(lái)越高，如機(jī)械行業(yè)、交通行業(yè)、石油化工行業(yè)、環(huán)保行業(yè)、國(guó)防及航天等，因此加強(qiáng)對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的研究，提高其水平具有比較重要意義[2]，是國(guó)家工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程不可或缺的一部分，是我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的支柱。

不僅如此，電力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制還是精密制造技術(shù)的核心。精密制造主要分布在汽車、航空和機(jī)床制造裝備等高技術(shù)含量制造業(yè)領(lǐng)域[3]。以機(jī)械精密制造為例，機(jī)械制造類企業(yè)依托精密制造技術(shù)在產(chǎn)品制造過(guò)程中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能的顯著提升，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的革新。此類技術(shù)通常被機(jī)械制造類企業(yè)應(yīng)用于對(duì)高速位置芯片環(huán)、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)鏈剛度等方面的研發(fā)制作之中[4]。對(duì)超高速加工機(jī)床主軸單元、進(jìn)給單元系統(tǒng)和機(jī)床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部件和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，對(duì)超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過(guò)程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，這些研究都離不開(kāi)電力傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，其在精密制造之中起著核心的作用。

三、市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)性能、可靠性、使用壽命、成本和小型化等的要求越來(lái)越高。近年來(lái)，中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品(通用伺服系統(tǒng)、步進(jìn)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器)穩(wěn)步增長(zhǎng)，增速高于新常態(tài)下GDP的增長(zhǎng)。尤其是機(jī)床、紡織、印刷、包裝和電子等行業(yè)的快速發(fā)展有力帶動(dòng)了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的需求。通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器作為伺服系統(tǒng)的控制裝置，其市場(chǎng)規(guī)模受到伺服系統(tǒng)的直接影響；運(yùn)動(dòng)控制器需求量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。2013年中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制器市場(chǎng)需求依舊相對(duì)穩(wěn)定，增速約為19%，需求量在90萬(wàn)套左右。從產(chǎn)品層面分析，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品有了更高的關(guān)鍵性指標(biāo)：控制精度、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高速性能、智能控制和網(wǎng)絡(luò)支持。有數(shù)據(jù)顯示，全球運(yùn)動(dòng)控制硬件市場(chǎng)在2015年遭遇強(qiáng)烈震蕩，與2014年同期相比，市場(chǎng)下滑10.6%，規(guī)模約104億美金。運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)很大程度上取決于下游機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)的景氣度，2015年機(jī)床(金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)床)超運(yùn)動(dòng)控制銷售額的40%，特別是數(shù)控產(chǎn)品高度集中于機(jī)床行業(yè)，超過(guò)八成的數(shù)控產(chǎn)品銷售額來(lái)自于該行業(yè)，此外，機(jī)器人和智能手機(jī)相關(guān)的電子裝聯(lián)行業(yè)表現(xiàn)突出，強(qiáng)力支撐通用運(yùn)動(dòng)控產(chǎn)品的需求。隨著工業(yè)4.0、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念的深入推廣與逐步落地，極大地推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品在工業(yè)以太網(wǎng)、模塊化及分布式伺服驅(qū)動(dòng)器、深度軟件開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的發(fā)展，要求實(shí)時(shí)、高效的工業(yè)設(shè)備通訊。據(jù)有關(guān)權(quán)威部門預(yù)計(jì)，截至2020年，超六成的驅(qū)動(dòng)器及近三成的運(yùn)動(dòng)控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。隨著行業(yè)應(yīng)用的不斷拓展，工業(yè)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的深度推進(jìn)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)部件市場(chǎng)將走向更加成熟、穩(wěn)健的發(fā)展軌道。

四、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

電力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)和系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)兩個(gè)方面。

控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)多采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、單片機(jī)或單板機(jī)等。今年來(lái)逐漸向開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展。未來(lái)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)將趨于多樣化、精確化和規(guī)范化。由于工業(yè)和市場(chǎng)的需要，硬件體系結(jié)構(gòu)也隨著不斷地變化和發(fā)展，出現(xiàn)越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)滿足生產(chǎn)和生活需求；當(dāng)市場(chǎng)需求提高時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的要求自然也提高，要求硬件體系結(jié)構(gòu)更加精確減少出現(xiàn)錯(cuò)誤；工業(yè)生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平不斷提高的同時(shí)，將會(huì)制定一系列的規(guī)則，讓企業(yè)和企業(yè)之間，廠商和廠商之間溝通更加高效，這時(shí)候就需要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)規(guī)范化。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

(1)數(shù)字化。從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程可以得到以下結(jié)論:基于以DSP控制器構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可滿足任意場(chǎng)合的需要,是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。運(yùn)動(dòng)控制器從最初的單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)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(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器,運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用控制技術(shù)而發(fā)展為具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重組的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。

(2)網(wǎng)絡(luò)化。微處理器的發(fā)展,使數(shù)字控制器簡(jiǎn)單而又靈活,同時(shí)為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高,單機(jī)的控制系統(tǒng)越來(lái)越少,取而代之的是大規(guī)模的多機(jī)協(xié)同工作的高度自動(dòng)化的復(fù)雜系統(tǒng),這就需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持,傳動(dòng)設(shè)備及控制器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)到現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)控制網(wǎng)上,實(shí)現(xiàn)集中的或分散的生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(3)智能化。借助數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),智能控制已經(jīng)深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面,例如:模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、解耦控制等,各種觀測(cè)器和辨識(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,大大地改善了控制系統(tǒng)的性能,為控制系統(tǒng)走向復(fù)雜的多層的網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。