1.引言 

 
隨著計算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(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)競爭力等方面起著極大的作用。 

在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運(yùn)動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，各廠家相繼推出運(yùn)動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動（Linear Motor Driving）、可編程序計算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）等幾項具有代表性的新技術(shù)。 

　 

2.全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù) 



在一些定位精度或動態(tài)響應(yīng)要求比較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品中，廣泛使用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器對電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。位置控制分辨高，可靠性好。 


通常帶位置環(huán)的伺服系統(tǒng)，位置環(huán)的反饋采樣取自伺服電機(jī)的編碼器，對于傳動鏈上的間隙及誤差還不能補(bǔ)償克服，只能形成半閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。松下公司新近推出了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)，其控制原理如圖1所示。 
                                                            
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)系統(tǒng)的缺陷，位置環(huán)的采樣可以直接采自裝在最后一級機(jī)械上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，而電機(jī)上的編碼器此時僅作為速度環(huán)的反饋，這樣就可以消除機(jī)械上存在的一切間隙，并且該伺服系統(tǒng)還可以對機(jī)械傳動上出現(xiàn)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到真正全閉環(huán)的功能，實現(xiàn)高精度的位置控制。而且這種全閉環(huán)控制均由驅(qū)動器來完成，無需增加上位控制器的負(fù)擔(dān)。 

由于采用全閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)能獲得極高的定位精度，而不需增加上位控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。所以它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、臺鉆機(jī)等高精度數(shù)控設(shè)備。 

3.直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù) 

直線電動機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界機(jī)床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動機(jī)熱”。 

在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電動機(jī)傳動的最大區(qū) 

別是取消了從電動機(jī)到工作臺（拖板）之間的一切機(jī)械中間傳動環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零。這種傳動方式被稱為“零傳動”。正由于這種“零傳動”方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電動機(jī)驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和一定優(yōu)點。 

（1） 高速響應(yīng) 由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的如絲杠等機(jī)械傳動件，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。 

（2） 精度 直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)引起的傳動誤差減少了插補(bǔ)時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機(jī)床的定位精度。 

（3） 動剛度高 由于“直接驅(qū)動”，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運(yùn)動滯后現(xiàn)象，同時提高了其傳動剛度。 

（4）速度快、加減速過程短 由于直線電動機(jī)最早主要用于磁懸浮列車（時速可達(dá)500Km/h），所以用在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進(jìn)個速度（要求達(dá)60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述零傳動的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時又能瞬間準(zhǔn)停。可獲得較高的加速度，一般可達(dá)（2～10）g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度只有（0.1～0.5）g. 

（5）行程長度不受限制 在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機(jī)，就可以無限延長其行程長度。 

（6） 動安靜、噪音低 由于取消了傳動絲杠等部件的機(jī)械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機(jī)械接觸），其運(yùn)動時噪音將大大降低。 

（7） 效率高 由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機(jī)械摩擦?xí)r的能量損耗。科爾摩根PLATINNM DDL系列直線電機(jī)和SERVOSTAR CD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動態(tài)響應(yīng)速度和加速度、極高的剛度、高的定位精度和平滑的無差運(yùn)動。 

4.可編程計算機(jī)控制器技術(shù) 

自20世紀(jì)60年代末美國第一臺可編程序控制器PLC問世以來，PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，它已在軟硬件技術(shù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)走出了當(dāng)初的“順序控制”的雛形階段。可編程計算機(jī)控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。 

與常規(guī)的PLC相比較，PCC最大的特點在于其類似于大型計算機(jī)的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計。常規(guī)的PLC大多采用單任務(wù)的時鐘掃描或監(jiān)控程序來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，直接導(dǎo)致了真正意義上的“控制速度”依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實時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題，它采用分時多任務(wù)機(jī)制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺，這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長短無關(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真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實時控制的要求。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，給項目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求，如運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集，報警，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)過分步驟的獨立編制和調(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，共同實現(xiàn)項目的控制要求。 

PCC在工業(yè)控制中強(qiáng)大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計算機(jī)及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流，雖然這還是一項較為年輕的技術(shù)，但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;

5.結(jié)束語 

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，促使運(yùn)動控制技術(shù)不斷進(jìn)步，這必將使我國的機(jī)電一體化技術(shù)水平不斷提高。