運(yùn)動(dòng)控制使用一些設(shè)備如液壓泵、線性執(zhí)行機(jī)或者是電機(jī)來控制機(jī)器的位置和速度，它被廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織和機(jī)械制造工業(yè)中。一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)組成包括：一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)（期望輸出）和閉合位置反饋環(huán)；一個(gè)驅(qū)動(dòng)或放大器用以將來自運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)（通常是速度或扭矩信號(hào)）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)；一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)；一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

這些機(jī)構(gòu)構(gòu)架隨著科技的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了越來越大的變化，并直接推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

各位能否就以下問題進(jìn)行深入探討：

（1）目前實(shí)現(xiàn)更加控制精度的難點(diǎn)在于哪個(gè)部件？該如何解決。

（2）目前的變頻伺服是否會(huì)成為運(yùn)動(dòng)控制的主流？它有什么局限性？

（3）執(zhí)行器的機(jī)械精度該如何解決？

山東大學(xué)  劉宗 教授

1.應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成。

(1)運(yùn)動(dòng)控利器響應(yīng)閉環(huán)信號(hào)和接受控制系統(tǒng)的定位請(qǐng)求信號(hào)，將分析、計(jì)算所得出的運(yùn)動(dòng)命令以數(shù)字脈沖信號(hào)或模擬量的形式送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。運(yùn)動(dòng)控制器通常是運(yùn)動(dòng)控制卡、具有運(yùn)動(dòng)控制功能的PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機(jī)系統(tǒng)等。

(2)驅(qū)動(dòng)器其功能是進(jìn)行功率變換，驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)上位控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字式交流伺服電祝和童流伺服電視等，其優(yōu)點(diǎn)是受控性能好，精度高。

(4)反饋裝置其作用是將檢測(cè)到的位置或速度反饋到控制器或驅(qū)動(dòng)器中，構(gòu)成閉環(huán)或全閾環(huán)控制，其檢測(cè)元件有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺及激光干涉儀等。

難點(diǎn)在于執(zhí)行器的精度提高，如絲杠等機(jī)械傳動(dòng)誤差，被控單元之聞?wù)麄€(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，執(zhí)行器的動(dòng)作誤差等，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是他的機(jī)械傳動(dòng)誤差不經(jīng)過反饋校正，位置控制精度不高。

一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)一般為：動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、穩(wěn)態(tài)跟蹤的高精度以及行為的魯棒性。這些指標(biāo)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，是實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在。定位精度是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。

定位精度是評(píng)價(jià)位置伺服系統(tǒng)位置控制準(zhǔn)確度的性能指標(biāo)，系統(tǒng)最終定位點(diǎn)與指令目標(biāo)值間的靜止誤差定義為系統(tǒng)的定位精度。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍，“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現(xiàn)象也可用死區(qū)來表達(dá)。

解決方法：

首先是提高執(zhí)行器的執(zhí)行精度，還有就是提高控制器的控制精度。

利用位置反饋比較控制，可獲得較大的定位精度，大部分機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。絲杠等機(jī)械傳動(dòng)誤差不能通過反饋校正，但可采用軟件補(bǔ)償償?shù)姆椒▉磉m當(dāng)提高其精度；全閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用光柵等檢測(cè)元件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行位置檢測(cè)，可以消除從電機(jī)到被控單元之聞?wù)麄€(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，得到很高的靜態(tài)定位精度。

2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)就執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)而言，交直流兩大分支一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)及控制技術(shù)不斷完善。19 世紀(jì)80 年代以前，直流電機(jī)拖動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。19 世紀(jì)末，交流電機(jī)的發(fā)明使用，使交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中得到了逐步廣泛的應(yīng)用。隨著生

產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這時(shí)又開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)；但由于直流調(diào)速本身存在的弱點(diǎn)，人們開始了新一輪交流調(diào)速系統(tǒng)的研究。近幾十年來隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流調(diào)速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利的條件，使交流

調(diào)速逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，目前交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。目前，在中小功率范圍內(nèi)，高性能的交流伺服系統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)主要采用永磁同步電動(dòng)機(jī)。

伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)整技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。

由于具有伺服系統(tǒng)一般由位置控制、速度控制組成，通常將位置控制部分與數(shù)控裝置做在一起。伺服驅(qū)動(dòng)裝置按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。數(shù)控機(jī)床的功能強(qiáng)弱取決于NC 裝置，而其性能好壞、取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伴隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，從電液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展到高性能交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是高性能交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)代表了當(dāng)前伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著電力電子技術(shù)，微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。近年來智能控制的多種策略，均被引入伺服系統(tǒng)中。高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的研究是智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的前沿。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯及遺傳算法等人工智能系統(tǒng)與現(xiàn)代交流伺服控制理論方法相結(jié)合，研究適合高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的控制方法：分層遞階智能控制、定性與定量控制的協(xié)調(diào)方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法、智能容錯(cuò)魯棒控制器設(shè)計(jì)及智能控制的穩(wěn)定性分析方法。使交流伺服系統(tǒng)的性能達(dá)到快響應(yīng)、高精度、魯棒性及高可靠性智能化的目標(biāo)，并能在高精度數(shù)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

交流伺服控制有模擬式、數(shù)?；旌鲜胶腿珨?shù)字式之分。模擬交流伺服系統(tǒng)，由于控制信號(hào)是連續(xù)的，工作速度很快，系統(tǒng)的頻率可以做得很寬，這使系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和很寬的調(diào)速范圍，控制系統(tǒng)內(nèi)部和輸出狀態(tài)及其變化容易通過儀表觀察和記錄。但另一方面，模擬伺服系統(tǒng)是由模擬電子器件構(gòu)成的系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方法；由于電子器件特性的分散性，使系統(tǒng)的調(diào)整困難，而且模擬器件的工作狀態(tài)極易受溫度影響而產(chǎn)生漂移，破壞已調(diào)整好的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)缺乏豐富的自診斷和顯示功能，在整機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)不能方便地判斷系統(tǒng)中的問題。此種方式正逐漸被淘汰。數(shù)模混合式交流伺服系統(tǒng)中，一般采用工控機(jī)、單片機(jī)和DSP來完成位置和速度控制，由于受CPU運(yùn)算速度的限制，伺服系統(tǒng)中響應(yīng)最快的電流環(huán)控制仍由模擬電路完成，從交流伺服系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展過程來看，混合式交流伺服系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，在許多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，仍是目前伺服裝置產(chǎn)品的主流。

變頻器只是一個(gè)V-F轉(zhuǎn)換，用于控制電機(jī)的一個(gè)器件。而伺服是一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)。簡(jiǎn)單說變頻器主要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服是既可以控制速度，又可以控制位置和移動(dòng)量，力距，定位，從而達(dá)到精確、穩(wěn)定，不會(huì)因變頻而產(chǎn)生死機(jī)。伺服不僅能達(dá)到以上的功能，而且產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，從而避免變頻器產(chǎn)生的輻射。變頻器在變頻過程中還會(huì)產(chǎn)生大量熱量，造成溫度的提高與聲音，而伺服系統(tǒng)是不會(huì)產(chǎn)生這樣的后果。所以說伺服系統(tǒng)的達(dá)到的效果是變頻電機(jī)無法比擬的。

變頻只是伺服的一個(gè)部分，伺服是在變頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉環(huán)的精確控制從而達(dá)到更理想的效果。

局限性：由于變頻伺服成本價(jià)格高，往往只有高端產(chǎn)品才用變頻伺服系統(tǒng)。

太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院  國建嶺

一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本構(gòu)架組成包括：運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)放大器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及反饋機(jī)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)構(gòu)架的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了越來越大的變化，并且直接推動(dòng)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

要實(shí)現(xiàn)更高的控制精度主要難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)放大部分。市場(chǎng)上驅(qū)動(dòng)控制部分大多數(shù)采用V/F控制，由于轉(zhuǎn)速精度受到轉(zhuǎn)差率及負(fù)載的影響，無法精確控制電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，存在控制精度低、動(dòng)態(tài)性能差、控制功能少等缺點(diǎn)，而提高定子電壓的補(bǔ)償難以完全與負(fù)載相互匹配，低速轉(zhuǎn)矩不足。因此要提高控制精度就必須首先解決驅(qū)動(dòng)控制的不足問題。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了（例如空間矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制等）多種控制方式。矢量控制是測(cè)量轉(zhuǎn)子磁鏈用以得到驅(qū)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)的影響較大導(dǎo)致實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想水平。轉(zhuǎn)矩控制避開了矢量控制中的復(fù)雜解耦運(yùn)算，直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，從而可以達(dá)到比較高的控制精度，比較適用于轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍較大的場(chǎng)合?？偠灾?，無論哪種測(cè)控方法的應(yīng)用，都是以提高控制精度為目的。

當(dāng)前市場(chǎng)上變頻器主要用在速度控制和力矩控制要求不是很高的場(chǎng)合，但是功率控制范圍比較寬。伺服驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快、控制精度高、定位迅速等優(yōu)點(diǎn)，但是控制功率范圍比較變頻器要小。部分廠家結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，開始從事變頻伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究工作，并取得了豐碩的成果。變頻伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)成為目前運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主流。其特點(diǎn)是：可以滿足精確地速度控制；在零速度下具有滿峰值轉(zhuǎn)矩；較寬的速度設(shè)定范圍；大負(fù)載能力；良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。變頻伺服控制系統(tǒng)本身也具有一定的局限性：對(duì)于發(fā)展高性能變頻伺服系統(tǒng)來說，在一定條件下，作為“硬形式”存在的變頻器、伺服電機(jī)以相應(yīng)反饋檢測(cè)裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進(jìn)控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實(shí)現(xiàn), 并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。伺服電機(jī)自身是具有一定的非線性、強(qiáng)耦合性及時(shí)變性的系統(tǒng)，同時(shí)伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到不同程度的外界干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的復(fù)合型控制策略以改進(jìn)“控制器”性能是當(dāng)前發(fā)展高性能變頻伺服控制系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口。

執(zhí)行器用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)量的輸出，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行者，執(zhí)行器的機(jī)械精度高低直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，所以執(zhí)行器的機(jī)械精度問題的解決是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要克服的又一技術(shù)難題。為解決這一問題，執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案如下：執(zhí)行器本身應(yīng)設(shè)計(jì)有伺服系統(tǒng)，只需接入采樣信號(hào)和電源電壓即可正常工作；執(zhí)行器的關(guān)鍵部件——控制器，采用先進(jìn)的、可靠性高的混合集成電路；驅(qū)動(dòng)量的反饋檢測(cè)采用高性能、高精度的電子元器件；具備自診斷功能，當(dāng)執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)，控制器應(yīng)立即發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)；可以用狀態(tài)選擇開關(guān)可以設(shè)定執(zhí)行器狀態(tài)信號(hào)、設(shè)定執(zhí)行器的（正、反）動(dòng)作、設(shè)定輸入采樣信號(hào)的類別（如DC4～20mA或DC1～5V）；可以方便的調(diào)整執(zhí)行器工作零點(diǎn)（始點(diǎn)）和行程（終點(diǎn)）；當(dāng)突然斷電時(shí)，能確保執(zhí)行器進(jìn)行自鎖；延時(shí)保護(hù)功能，額定負(fù)載時(shí)，能實(shí)行狀態(tài)自鎖，故障發(fā)生時(shí)，能立即起動(dòng)保護(hù)，并可反向運(yùn)行取消延時(shí)保護(hù)。

有理由相信，隨著科技的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)會(huì)有日新月異的變化，運(yùn)動(dòng)控制的精度將達(dá)進(jìn)一步的提高。

深圳市雷賽智能控制股份有效公司雷泰控制事業(yè)部副總經(jīng)理

左力 博士

一．實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)鍵問題是成本

1. 高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求越來越大

隨著半導(dǎo)體元件、電子產(chǎn)品不斷地微型化，半導(dǎo)體加工設(shè)備、電子加工設(shè)備、模具加工設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備的精度也越來越高。這些高精度加工設(shè)備的核心是高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，因此，近年來高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求量越來越大。

2.  高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的解決方案已經(jīng)很多

高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般由運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件等組成。通常將行程300毫米內(nèi)定位精度在0.01～0.02毫米的系統(tǒng)稱為中等精度系統(tǒng)；定位精度在微米級(jí)的系統(tǒng)稱為高精度系統(tǒng)。

中等精度系統(tǒng)一般采用半閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中的交流伺服電機(jī)即可保證系統(tǒng)的定位精度，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送脈沖指令即可。高精度系統(tǒng)一般采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)配有光柵尺做位置反饋，運(yùn)動(dòng)控制器采用PID等算法不斷調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，以保證系統(tǒng)的定位精度在控制范圍內(nèi)；通?？刂破鬏敵鼋o電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)為模擬信號(hào)。

圖1  半閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖2  全閉環(huán)控制系統(tǒng)

目前，高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的解決方案很多，定位精度在0.1～1微米的設(shè)備已經(jīng)不少。電機(jī)可以采用：交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)、直線伺服電機(jī)、納米電機(jī)（超聲波電機(jī)）等；機(jī)械傳動(dòng)元件除了高精度的滾珠絲杠和滾珠導(dǎo)軌外，當(dāng)定位精度高于1微米時(shí)，氣浮導(dǎo)軌、大理石平臺(tái)、恒溫設(shè)備等特殊元、器件都要選用。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，精度和速度永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾。例如：運(yùn)動(dòng)控制器的計(jì)算速度由其CPU決定。提高控制精度，計(jì)算量會(huì)增大；提高運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算量也會(huì)增大。要提高系統(tǒng)的定位精度，就要犧牲系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度。好在大多數(shù)系統(tǒng)在高精度條件下運(yùn)行時(shí)，速度并不快。

國內(nèi)已經(jīng)有計(jì)算速度很快的運(yùn)動(dòng)控制器，如：雷賽公司的DMC5400運(yùn)動(dòng)控制卡，其直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)周期小于1微秒；華中科技大學(xué)最新研發(fā)的高速高精度數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期更是僅有0.125微米，分辨率高達(dá)1納米。

另外還要注意：

1）作為閉環(huán)控制系統(tǒng)中的檢測(cè)元件，光柵尺的分辨率一定要比系統(tǒng)的定位精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。即：如果系統(tǒng)定位精度是1微米，則光柵尺的分辨率要為0.1微米。只有這樣才能確保系統(tǒng)具有可靠的定位精度。

2）大理石平臺(tái)的線膨脹系數(shù)為4.61×10^-6/℃，即：溫度變化1度，1米長的大理石平臺(tái)就有4.61微米長的變化。因此，恒溫對(duì)于高精度設(shè)備而言，非常重要。

3.高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的成本很高

顯然，獲得高精度的品質(zhì)需要花費(fèi)高昂的代價(jià)。如何降低高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的造價(jià)已成為當(dāng)前的一個(gè)熱門問題。

二、數(shù)字閉環(huán)是提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精度降低成本的有效途徑

傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)除了成本高以外，還因?yàn)槠淇刂菩盘?hào)是模擬量，所以存在溫漂、零漂等不穩(wěn)定因素。隨著運(yùn)動(dòng)控制元件研發(fā)、制造技術(shù)的不斷提高，和十年前相比，目前步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)性、細(xì)分?jǐn)?shù)已經(jīng)有很大提高；電子石英鐘就是一個(gè)很好的例子，現(xiàn)在市場(chǎng)上一秒鐘跳一次的鐘已經(jīng)很難見到，取而代之的是運(yùn)行平穩(wěn)、連續(xù)的鐘，其機(jī)芯仍然是步進(jìn)電機(jī)。同樣，國產(chǎn)的光柵尺在保證高精度的前提下，價(jià)格也下降至幾百元。

由于具備了運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、連續(xù)的步進(jìn)電機(jī)和價(jià)格低廉的光柵尺，這使得數(shù)字式閉環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用具有了現(xiàn)實(shí)意思。和模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，其具有：成本低、穩(wěn)定性好、控制精度相當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)。

其實(shí)國內(nèi)的科技工作者一直在對(duì)數(shù)字式閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究、應(yīng)用。如清華大學(xué)精密儀器系的周凱，在1998年就實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化閉環(huán)控制；燕山大學(xué)的王振臣和徐宇馨，在2004年實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制；沈陽工業(yè)大學(xué)的孫興偉、董蔚和陳林平，在2010年研究出專用數(shù)控機(jī)床上的全閉環(huán)數(shù)字控制方法。

雷賽公司近期也完成了數(shù)字閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)工作，并推出了2款具有數(shù)字閉環(huán)功能的運(yùn)動(dòng)控制器SMC6490和PMC6496。其控制策略為：如果平臺(tái)位移誤差在控制精度范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)控制器不對(duì)脈沖指令作任何調(diào)整，控制器以開環(huán)控制方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制；如果位移誤差超出控制精度范圍，則控制器采用閉環(huán)控制算法向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖控制指令。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：采用SMC6490運(yùn)動(dòng)控制器與步進(jìn)電機(jī)和光柵尺組成數(shù)字式閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度達(dá)到5微米。

三、交流伺服電機(jī)不會(huì)一統(tǒng)天下

1.    交流伺服電機(jī)優(yōu)點(diǎn)很多

和步進(jìn)電機(jī)比較，交流伺服電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·        定位精度高，不會(huì)丟步；

·        轉(zhuǎn)速高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；

·        功率密度大，響應(yīng)速度快。

和有刷直流伺服電機(jī)比較，交流伺服電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·        結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無電刷和換向器。工作壽命長；

·        線圈安裝在定子上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。動(dòng)態(tài)特性好；

·        結(jié)構(gòu)合理，功率密度高。同體積電機(jī)功率可高70%。

2.    交流伺服電機(jī)也有局限性

目前，交流伺服電機(jī)使用量越來越大，但是其成本遠(yuǎn)高于步進(jìn)電機(jī)。而且，還存在使用復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)停止時(shí)有微小抖動(dòng)（因?yàn)樗欧姍C(jī)是閉環(huán)控制，其靜止時(shí)仍在不停地調(diào)整）等問題。而且，可使用步進(jìn)電機(jī)的普通控制精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)量遠(yuǎn)比高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的多。因此，交流伺服電機(jī)不可能取代步進(jìn)電機(jī)。

另外，在高速高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，直線伺服電機(jī)有取代旋轉(zhuǎn)式伺服電機(jī)的趨勢(shì)。

三．機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度

1.    元件的選型要合理

有一種錯(cuò)誤的觀念認(rèn)為：只要運(yùn)動(dòng)控制器的精度高、光柵尺的分辨率高，閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精度就高，絲杠、導(dǎo)軌及平臺(tái)裝配精度關(guān)系不大。事實(shí)是：閉環(huán)系統(tǒng)是可以彌補(bǔ)絲杠和導(dǎo)軌的制造誤差、平臺(tái)的裝配誤差。但是，當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、跳動(dòng)等指標(biāo)超過系統(tǒng)的控制精度時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)怎么調(diào)節(jié)都無法達(dá)到控制精度。

筆者曾經(jīng)親身經(jīng)歷過這樣一件事：調(diào)試2個(gè)定位精度為2微米的閉環(huán)控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，X軸十分正常，可Y軸怎么調(diào)都不能達(dá)到2微米的定位精度。經(jīng)過反復(fù)查找，才發(fā)現(xiàn)是一個(gè)支撐絲杠的軸承質(zhì)量不合格，軸向跳動(dòng)超過了2微米，造成Y軸在運(yùn)動(dòng)中總是有2微米以上的誤差。換上一個(gè)好軸承后，問題就解決了。

2.    機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量很重要

選購高精度的機(jī)械零部件，并不一定就能組成高精度的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。將這些高精度的元件組裝在一起，形成高精度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)裝配圖的設(shè)計(jì)十分重要；尤其是各零部件的定位關(guān)系一定要設(shè)計(jì)合理，既要便于加工、又要便于裝配。

裝配過程中一定要用千分表做檢測(cè)，保證導(dǎo)軌、絲杠的裝配精度；裝配完成后，最好用激光干涉儀進(jìn)行全面的檢測(cè)；各項(xiàng)指標(biāo)合格后，再進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試。這樣做成功率最高。