現(xiàn)代控制技術(shù)探析

　　摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化中出現(xiàn)了一些控制新技術(shù)：全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡等。文章主要分析了這些現(xiàn)代控制技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀。
　　關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；控制器；運(yùn)動(dòng)控制
　　
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)已越來(lái)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(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用。
　　
　　一、交流伺服驅(qū)動(dòng)
　　
　　在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)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(jiǎn)單，因而倍受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP），可以對(duì)電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)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(yùn)算能力，自動(dòng)完成整個(gè)伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負(fù)載變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動(dòng)器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測(cè)算出設(shè)備的機(jī)械共振點(diǎn)，并通過(guò)陷波濾波方式消除機(jī)械共振。
　　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(dòng)器可以直接采樣裝在最后一級(jí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)上的編碼器反饋此時(shí)僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機(jī)械傳動(dòng)上存在的間隙，補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)件的制造誤差，實(shí)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(dòng)器來(lái)完成，無(wú)需增加上位控制器的負(fù)擔(dān)，因而越來(lái)越多的行業(yè)在其自動(dòng)化設(shè)備的改造和研制中，開(kāi)始采用這種伺服系統(tǒng)。
　　
　　二、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)
　　
　　在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與原旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)的最大區(qū)別是取消了從電機(jī)到工作臺(tái)（拖板）之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，因而這種傳動(dòng)方式又被稱為“零傳動(dòng)”，它具有原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。
　　1、高速響應(yīng)。由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件（如絲杠等），使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高。
　　2、精度。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了因絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)系統(tǒng)滯后帶來(lái)的跟蹤誤差，提高了機(jī)床的定位精度。
　　3、動(dòng)剛度高。由于“直接驅(qū)動(dòng)”，避免了啟動(dòng)、變速和換向時(shí)因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，同時(shí)也提高了其傳動(dòng)剛度。
　　4、速度快。由于直線電動(dòng)機(jī)最早主要用于磁懸浮列車（時(shí)速可達(dá)500Km/h），所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個(gè)速度（要求達(dá)60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒(méi)有問(wèn)題的。也由于上述“零傳動(dòng)”的高速響應(yīng)性，使其加減速過(guò)程大大縮短。以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停?？色@得較高的加速度，一般可達(dá)2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動(dòng)的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
　　5、行程長(zhǎng)度不受限制。在導(dǎo)軌上通過(guò)串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無(wú)限延長(zhǎng)其行程長(zhǎng)度。
　　6、運(yùn)動(dòng)動(dòng)安靜、噪音低。由于取消了傳動(dòng)絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無(wú)機(jī)械接觸），其運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音將大大降低。
　　7、效率高。由于無(wú)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動(dòng)效率大大提高。
　　
　　三、計(jì)算機(jī)控制器
　　
　　d5a3168aa3a746d4a565f1581f50daa3d61e42400472c2a356ef365fe8a69f82與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點(diǎn)在于它類似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序來(lái)處理程序本身的邏輯運(yùn)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(dǎo)致了PLC的“控制速度”依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無(wú)疑是同I/O通道中高實(shí)時(shí)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(wèn)題，它采用分時(shí)多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)，這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應(yīng)用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開(kāi)來(lái)，滿足了實(shí)時(shí)控制的要求。當(dāng)然，這種控制周期可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際要求，任意修改。
　　基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，給工程項(xiàng)目應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大的便利。因?yàn)檫@樣可以方便地按照控制項(xiàng)目中各部分不同的功能要求，如運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)），這些模塊既獨(dú)立運(yùn)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(guò)分步驟的獨(dú)立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運(yùn)行，共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制要求。
　　
　　四、運(yùn)動(dòng)控制卡
　　
　　運(yùn)動(dòng)控制卡是一種基于工業(yè)PC機(jī)、用于各種運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合的上位控制單元。運(yùn)動(dòng)控制卡通常采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制芯片或高速DSP作為運(yùn)動(dòng)控制核心，大多用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作；控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)。運(yùn)動(dòng)控制卡都配有開(kāi)放的函數(shù)庫(kù)供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺(tái)下自行開(kāi)發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。
　　計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)著工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了諸如全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、可編程計(jì)算機(jī)控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡等許多先進(jìn)的實(shí)用技術(shù)，為開(kāi)發(fā)和制造工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提供了高效率的手段。這也必將促使我國(guó)的機(jī)電一體化技術(shù)水平不斷提高。
　?。ㄗ髡邌挝唬弘u西礦業(yè)集團(tuán)平崗煤礦）