淺談我國電力傳動系統和運動控制的發展狀況

(廣東工業大學自動化學院 廣東 廣州 510006)

一、引言

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

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

可以看出，電力傳動系統是實現運動控制的最主要手段。而電力電子技術得到應用之后，曾保持幾十年的電力傳動控制系統面貌得以改變，從“機組時代”發展到了“電子電子時代”。

二、發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和技術發展規劃綱要的發布，可以看出我國越來越重視對電力電子與電力傳動技術的研究。其已廣泛地在“綱要”所規定的“重點領域及其優先主題”、“前沿技術”和“重大專項”中的各個重要領域中得到應用及滲透，包括制造業、交通運輸業、國防、空天技術和高檔數控機床與基礎制造技術等。并且電力電子恰恰是關系到上述領域中我國許多引進技術中的核心技術所在[2]。其次，電力電子技術已成為當今任何高新技術系統中不可缺少的關鍵技術之一，其應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業部門[3]。

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

(二)運動控制的重要性

機器的本質特征是運動，而保障如機器人等各類先進裝備的現代機器高效和高質運行的關鍵環節就是運動控制系統，所以其在國防軍工和工業生產等領域得到廣泛應用。運動控制技術是推動新的技術革命和新的產業革命的關鍵技術[5]，尤其是在制造業，發展先進運動控制技術更具重要意義[6]。

其主要表現在先進運動控制技術能夠滿足現代制造業對裝備精度和速度的要求，已成為了制造業裝備的核心；而制造業作為我國處在工業化進程中的支柱產業，其產品也需要通過先進運動控制技術為核心的現代設備來控制。

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，中國也將大力發展高檔數控機床和機器人、先進軌道交通裝備、航空航天裝備以及新一代信息技術產業等十大領域。這對自動化產業來說是前所未有的機遇，而運動控制作為自動化產業的一個分支，也必將擁有巨大的市場潛力。

由于OEM行業受挫嚴重，運動控制器方面的整體市場在2015年出現了負增長，但在2016年就重新恢復到了4.9%，而隨著中國工業轉型升級的深入，未來幾年控制器領域將保持穩定增長。

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、半導體等領域；專用控制器主要用于機床、紡織等領域；單片機主要用于包裝機械等領域。隨著近年來我國機器人和半導體行業的大力擴產，工控機的占比正在快速提高。

四、電力傳動系統和運動控制的發展現狀及趨勢

(一)電力傳動系統的發展現狀及趨勢

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

目前提高我國電力傳動系統性能的主要方法和控制策略的趨勢總體來說有以下幾點：應用PWM技術、微電子技術、矢量控制技術、直接扭矩技術和直線電機，并應用現代化控制理論；其次，因為單純的自動控制系統不能對跟隨傳動工作而不斷改變的參數誤差進行準確修正，而利用模糊算法、神經網絡算法等手段的智能化控制系統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)運動控制技術的發展現狀及趨勢

運動控制系統的發展主要經歷了從模擬到數字，直流到交流，開環到閉環，直到基于網絡的運動控制和基于PC的伺服控制過程。而運動控制技術，在制造業和機電裝備領域的發展主要經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年代的數字/模擬/脈沖混合控制的數字化初級時代，再到21世紀的全數字化時代。而目前我國運動控制技術正處于數字/模擬/脈沖混合控制時代[6]，主流為基于PC的控制技術，采用PC+控制卡的控制器結構，并廣泛采用脈沖控制方式和基于DSP的脈沖控制式數字伺服系統。從表面來看，我國目前廣泛應用的系統采用了工業PC和DSP等進行數字信息處理和數字控制，但本質上該系統在信息處理、傳遞和執行等環節都是用脈沖形式進行的，仍屬于“脈沖控制”系統。

當今的運動控制系統是包含多種學科的技術領域，而網絡化全數字也已經成為了如今運動控制的主流。可以看出，運動控制技術總的發展趨勢是：驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數字化、智能化和網絡化。

五、結語

隨著科學技術的發展，電力傳動系統和運動控制技術也在不斷地進步，推動電力傳動系統運動控制的發展有利于我國工業化的進程和推動我國經濟發展，但同時我們也要意識到目前我國在電力傳動系統運動控制技術上的不足，找到核心問題，走獨立自主創新的道路，爭取跟上并超過世界技術發展的潮流，實現控制技術的全面數字化、智能化和網絡化，并將新技術應用在工業生產中。