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运动控制在工业控制与自动化领域的应用

2019-10-19 08:32
来源: 21IC电子网

工业控制主要分两个方向,一个是运动控制,通常用于机械领域;另一个就是过程控制,通常使用于化工领域。而运动控制指的是一种起源于早期的伺服系统,基于电动机的控制,以实现物体对角位移、转矩、转速等等物理量改变的控制。

从关注点来说,电机控制(这里指伺服电机)主要关注的是控制单个电机的转距、速度、位置中的一个或多个参数达到给定值。而运动控制主要关注点在于协调多个电机,完成指定的运动(合成轨迹、合成速度),比较着重轨迹规划、速度规划、运动学转换;比如数控机床里面要协调XYZ轴电机,完成插补动作。

电机控制常常作为运动控制系统的一个环节(通常是电流环,工作在力矩模式下),更着重于对电机的控制,一般包括位置控制、速度控制、转矩控制三个控制环,一般没有规划的能力(有部分驱动器有简单的位置和速度规划能力)。

运动控制在工业控制与自动化领域的应用

运动控制往往是针对产品而言的,包含机械、软件、电气等模块,例如机器人、无人机、运动平台等等,是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动的一种控制。

两者有部分内容是重合的:位置环/速度环/转距环可以在电机的驱动器中实现,也可以在运动控制器中实现,因此两个属于容易混淆。一个运动控制系统的基本架构组成包括:运动控制器:用以生成轨迹点(期望输出)和闭合位置反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。

运动控制器主要分为三类,分别是PC-based、专用控制器、PLC。其中PC-based运动控制器在电子、EMS等行业被广泛应用;专用控制器的代表行业是风电、光伏、机器人、成型机械等等;PLC则在橡胶、汽车、冶金等行业备受青睐。

驱动或放大器:用以将来自运动控制器的控制信号(通常是速度或扭矩信号)转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环,以获得更精确的控制。

执行器:如液压泵、气缸、线性执行机或电机,用以输出运动。反馈传感器:如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等,用以反馈执行器的位置到位置控制器,以实现和位置控制环的闭合。众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式,它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。

运动控制的出现更加促进机电控制的解决方案,比如以前凸轮和齿轮都需要机械结构实现,现在可以使用电子凸轮、电子齿轮来实现,消除了机械实现过程的回程、摩擦和磨损等。

成熟的运动控制产品不仅仅需要提供路径规划、前瞻控制、运动协调、插补、运动学正逆解和驱动电机的指令输出等,还需要具备工程配置软件(如SIMOTION的SCOUT)、语法解释器(不仅是指自己的语言,而且包括IEC-61131-3的PLC语言支持)、简单的PLC功能、PID控制算法实现、HMI交互接口、故障诊断接口,高级的运动控制器还能够实现安全控制等。

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