运动控制使用一些设备如液压泵、线性执行机或者是电机来控制机器的位置和速度，它被广泛应用在包装、印刷、纺织和机械制造工业中。一个运动控制系统的基本架构组成包括：一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环；一个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；一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动；一个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。

这些机构构架随着科技的发展已经发生了越来越大的变化，并直接推动了运动技术的更广泛应用。

各位能否就以下问题进行深入探讨：

（1）目前实现更加控制精度的难点在于哪个部件？该如何解决。

（2）目前的变频伺服是否会成为运动控制的主流？它有什么局限性？

（3）执行器的机械精度该如何解决？

山东大学  刘宗 教授

1.应用在各个领域的典型运动控制系统主要由运动控制器、驱动器、执行机构、机械传动机构和反馈装置构成。

(1)运动控利器响应闭环信号和接受控制系统的定位请求信号，将分析、计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到电机驱动器中。运动控制器通常是运动控制卡、具有运动控制功能的PLC、数控系统(CNC)或单片机系统等。

(2)驱动器其功能是进行功率变换，驱动电机根据上位控制指令转动。

(3)执行机构运动控制系统中常用的执行机构一般为步进电机、数字式交流伺服电祝和童流伺服电视等，其优点是受控性能好，精度高。

(4)反馈装置其作用是将检测到的位置或速度反馈到控制器或驱动器中，构成闭环或全阈环控制，其检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺、磁尺及激光干涉仪等。

难点在于执行器的精度提高，如丝杠等机械传动误差，被控单元之闻整个机械传动链中的传动误差，执行器的动作误差等，运动控制系统执行电机一般采用步进电机，步进电机控制方便，结构简单，价格便宜，但是他的机械传动误差不经过反馈校正，位置控制精度不高。

一个运动控制系统主要的性能指标一般为：动态响应的快速性、稳态跟踪的高精度以及行为的鲁棒性。这些指标是一个统一的整体，是实现一个运动控制系统的关键技术所在。定位精度是控制系统的一个重要指标。

定位精度是评价位置伺服系统位置控制准确度的性能指标，系统最终定位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围，“死区”指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下，电机克服不了这摩擦力而不能转动。此外，还由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象也可用死区来表达。

解决方法：

首先是提高执行器的执行精度，还有就是提高控制器的控制精度。

利用位置反馈比较控制，可获得较大的定位精度，大部分机械传动环节包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈校正，但可采用软件补偿偿的方法来适当提高其精度；全闭环控制系统是采用光栅等检测元件对被控对象进行位置检测，可以消除从电机到被控单元之闻整个机械传动链中的传动误差，得到很高的静态定位精度。

2.运动控制系统就执行元件电动机而言，交直流两大分支一直并存于各个工业领域，伴随着工业技术的发展，特别是随着电力电子和微电子技术的发展，电机及控制技术不断完善。19 世纪80 年代以前，直流电机拖动是唯一的电气传动方式。19 世纪末，交流电机的发明使用，使交流电气传动在工业中得到了逐步广泛的应用。随着生

产技术的发展，对起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这时又开始使用直流调速系统；但由于直流调速本身存在的弱点，人们开始了新一轮交流调速系统的研究。近几十年来随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利的条件，使交流

调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了产品的系列化，目前交流调速系统已逐步占据了主导地位。目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用永磁同步电动机。

伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调整技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。

由于具有伺服系统一般由位置控制、速度控制组成，通常将位置控制部分与数控装置做在一起。伺服驱动装置按其结构特点有开环、半闭环、闭环之分。数控机床的功能强弱取决于NC 装置，而其性能好坏、取决于伺服驱动系统。伴随着数控系统的发展，数控系统的伺服驱动技术也得到了相应的发展，从电液脉冲马达、功率步进电动机发展到高性能交、直流伺服电动机驱动系统。特别是高性能交流电动机伺服系统代表了当前伺服驱动系统的发展方向。

随着电力电子技术，微机及数字信号处理技术和现代控制理论的应用，为伺服技术的发展提供了广阔的前景。近年来智能控制的多种策略，均被引入伺服系统中。高性能智能化交流伺服系统的研究是智能数控系统技术发展的前沿。将人工神经网络、专家系统、模糊逻辑及遗传算法等人工智能系统与现代交流伺服控制理论方法相结合，研究适合高性能智能化交流伺服系统的控制方法：分层递阶智能控制、定性与定量控制的协调方法、模糊神经网络学习算法、智能容错鲁棒控制器设计及智能控制的稳定性分析方法。使交流伺服系统的性能达到快响应、高精度、鲁棒性及高可靠性智能化的目标，并能在高精度数控系统中得到应用。

交流伺服控制有模拟式、数模混合式和全数字式之分。模拟交流伺服系统，由于控制信号是连续的，工作速度很快，系统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性能和很宽的调速范围，控制系统内部和输出状态及其变化容易通过仪表观察和记录。但另一方面，模拟伺服系统是由模拟电子器件构成的系统，难以实现复杂的控制方法；由于电子器件特性的分散性，使系统的调整困难，而且模拟器件的工作状态极易受温度影响而产生漂移，破坏已调整好的运行状态。系统缺乏丰富的自诊断和显示功能，在整机联调时不能方便地判断系统中的问题。此种方式正逐渐被淘汰。数模混合式交流伺服系统中，一般采用工控机、单片机和DSP来完成位置和速度控制，由于受CPU运算速度的限制，伺服系统中响应最快的电流环控制仍由模拟电路完成，从交流伺服系统控制技术的发展过程来看，混合式交流伺服系统技术比较成熟，在许多领域得到了极为广泛的应用，仍是目前伺服装置产品的主流。

变频器只是一个V-F转换，用于控制电机的一个器件。而伺服是一个闭环的系统。简单说变频器主要控制电机的转速。伺服是既可以控制速度，又可以控制位置和移动量，力距，定位，从而达到精确、稳定，不会因变频而产生死机。伺服不仅能达到以上的功能，而且产生一个闭环的系统，从而避免变频器产生的辐射。变频器在变频过程中还会产生大量热量，造成温度的提高与声音，而伺服系统是不会产生这样的后果。所以说伺服系统的达到的效果是变频电机无法比拟的。

变频只是伺服的一个部分，伺服是在变频的基础上进行闭环的精确控制从而达到更理想的效果。

局限性：由于变频伺服成本价格高，往往只有高端产品才用变频伺服系统。