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工業控制與自動化領域中,運動控制的作用

發布時間: 2019-10-31
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  運動控制是工業控制領域的核心之一,在印刷,包裝,裝配等工業場景中發揮著巨大作用。運動控制最早起源于電機控制,電機控制的任務是控制單個電機轉矩,轉速,位置等參數,使電機完成規定的動作。而運動控制是在電機控制的基礎上實現了對多個電機控制,控制系統自動協調多個電機完成指定的運動。復雜精密運動控制系統的應用在大大降低生產成本的同時也減少了加工中誤操作的發生,提高了產品質量。如今工業生產自動化技術飛速發展,多種多樣的運動控制系統被廣泛應用于物流行業與大型裝配生產線。

  

  頻繁出現在我們視野中的機械臂就是運動控制系統助力工業生產最關鍵的一環,目前世界上最先進的機械臂擁有7個無齒輪關節,每個電機驅動一個關節運動。機械臂正常運行時,運動控制系統同時協調7個電機,機械臂便可以輕松抓取空間內任何一個位置的物體。不僅如此它還能實現其他復雜的功能,它甚至幫助人們打掃衛生或是彈奏樂器。

  

  前幾年,在網絡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,運動控制系統便會驅動電機執行不同的動作,使掃地機器人高效完成任務。在工廠中,機械臂被廣泛應用于裝配生產線,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,運動控制系統不僅應用于工業中,在最貼近我們的生活中也不難發現它們的身影。

  

  要想了解運動控制系統,需要重點了解的就是運動命令的執行者們——電機。應用于運動控制系統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變為角位移,在步進電機正常運作的情況下,電機的轉速,位置,加減速度只取決于脈沖信號的頻率和個數,而不受負載變化的影響。當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號,他就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。稱之為“步距角“它的旋轉是一步步地進行,每步轉動一個步距角,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換成電機軸上的角位移輸出,伺服電機驅動器控制三相電形成電磁場,轉子在磁場的作用下轉動。伺服電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器,驅動器根據反饋值與目標值進行比較,調整轉子轉動的角度。

  

  兩種電機的比較

  

  1 控制方式不同

  

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

  

  2 控制精度不同

  

  步進電機的相數越多,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或細分技術克服低速震動現象。步進電機在低速時仍極易出現震動現象,而伺服電機不管在高速還是低速時都不會出現震動現象。

  

  4 運動性能不同

  

  步進電機為開環控制,啟動頻率過高或負載過大容易造成丟步現象,停轉時轉速過高易出現過沖現象,伺服電機為閉環控制,伺服驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成速度環和位置環,一般不會出現丟步或過沖現象。

  

  5 速度相應不同

  

  步進電機從靜止加速到工作轉速需要上百毫秒,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,根據不同需要,選擇合適類型的電動機尤為重要。

  

  運動控制系統并不只是由電機和驅動器構成,相比它們更為重要的是控制,協調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,由兩個電機帶動的轉盤上纏滿了膠卷,為實現膠卷能在不斷裂的情況下,以設定的膠卷纏繞速度,從一個轉盤放卷然后收卷到另一個轉盤。在膠卷纏繞的過程中,兩個轉盤的卷徑會不斷變化,為保證膠卷不斷裂并且符合規定的膠卷纏繞速度,需要不斷調整兩電機的轉速,這就需要用到PID算法,做閉環控制,讓被控對象:張力的反饋值影響電機的轉速。如此一來,依靠伺服電機響應快的性能,當張力過大時降低轉速,當張力過小時加快轉速。在不斷的調整下,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也會用到運動差補算法確保機械臂運轉到指定位置。運動控制系統方案的好壞決定了系統是否安全可靠,是否效率很高。擁有優秀的方案設計能力,會使我們自己也更具競爭力。

  

  工業3.0時代來臨,市場對品質的一直追求導致自動化技術大量應用,復雜生產環境下,系統工程師成為核心人才。掌握運動控制系統技術的新工程師會有很不錯的發展前景。隨著材料技術,電力電子技術,控制理論,計算機技術的快速發展以及電動機制造工藝水平的逐步提高,同時伴隨著制造業的不斷升級。運動控制系統將迎來一大好的發展時機。看到這兒,你是否激動了呢?那就趕快跟上時代的腳步,武裝自己成為一個合格的工程師吧!

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