电子运动控制的持续发展

也许在过去的60多年里，发展的步伐已经放缓，但在成熟的电子运动控制技术中，创新仍在继续。电子运动控制领域的五项进展预计将继续推动技术进步。

1.电动马达驱动

电力驱动驱动着世界各地无数的制造和加工生产线。变频驱动器(vfd)为工业用交流感应电机提供了可靠的速度和扭矩控制，是近年来最大的发展之一。新型vfd控制永磁交流同步电机的能力增加了它们的通用性。伺服和步进驱动在各种类型的伺服和步进电机的转矩和位置控制方面也取得了显著的性能进步。它们以各自较低的功率范围补充场景(参考文献1,2)。

硬件和软件的创新是这些电力驱动的推动力。主要的硬件发展包括功率转换晶体管和微处理器。第二类包括新的软件工具，可以执行过去不可能执行的复杂控制算法。随着软件的广泛使用，电动马达驱动也变得更加方便用户使用。

vfd的尺寸和重量显著降低。体积庞大的机柜让位于紧凑的电子外壳，可以安装在电机附近，以适应特定的制造工厂布局，甚至安装在电机上，这取决于应用的电力需求。上世纪90年代，出现了一种所谓的“微驱动器”，其中包括一种0.19 kW的型号，可以放进技术人员的衬衫口袋里。是的，这是一个不切实际的应用，但却生动地说明了各种可能性。

尽管比vfd更小，伺服和步进驱动器也受益于正在进行的电子控制小型化。更新的功能包括内置在所有类型驱动器中的不断增长的智能，如诊断和电机/驱动器调谐，以及与各种总线网络的连接，以与更高级别的控制系统或多个运动轴通信。

2.功率切换装置,微处理器

用于电机控制的形状输入电流/电压波形的电源开关晶体管位于电动驱动器的核心。硅控制整流器（一种固态开关）和栅极关断晶闸管（功率半导体）在早期驱动器中提供了电力切换作用。它们代表了成熟的技术，并参见有限的应用，主要是在一些大功率驱动应用中。

随着计算机和数字技术的扩散，电机驱动器移动到数字微处理器（MPU）的基于模式，继续占据现场的设计。一种较新的半导体，绝缘栅双极晶体管（IGBT）沿着，这已成为当今电动机驱动器的主要电力开关装置。IGBT结合了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）输入的最佳特征和双极晶体管输出。它们由于绝缘栅极提供了快速的切换和较低的损耗，以及其他特征（REF 3）。例如，IGBT推进包括更快的开关速度和在较高电压下操作的能力。

微处理器和数字信号处理器(dsp)的性能也在不断提高。更高的计算速度允许更快的响应加载动态和接近实时通信的其他部分的运动系统(参考文献4)。内存几乎是无限的，因为开发人员可以挤压更多的容量到微芯片。所有这些都允许在软件和硬件上实现更复杂的运动控制算法。

3.控制复杂

通用交流变频驱动提供三种主要的电机控制方法(参考5)。开环控制(也称为每赫兹电压(V/hZ)或标量)是出现的第一个和最简单的方法。它提供合理的速度调节和运行没有反馈装置。

通量矢量控制(FVC)是最高水平的VFD性能，并有几个变化。其最强大的版本是面向磁场的FVC，通过独立控制产生磁通(充磁)和产生转矩的电流元件来获得电机转矩和功率的最优控制，将直流电机的特性模型化为交流电机。

FVC使用反馈装置(通常是编码器)来获取电机轴的位置和速度信息。控制算法依赖于复杂的电机模型，并实现单独的速度和扭矩回路。全矢量控制可以提供高扭矩在低速-甚至接近零rpm。

在上述两个极端之间的是无传感器矢量控制(SVC)，也称为开环矢量控制，这是另一种在V/Hz驱动器上提高低速扭矩、速度调节和启动扭矩能力的替代方案。

虽然SVC驱动器在没有反馈设备的情况下工作，但它们可以估计 - 使用电机电流和电压信号 - 扭矩电流，磁化电流和精确电机控制所需的矢量关系。因此，它们也依赖于精确的电动机模型。这里的限制是下面的良好电机参数估计的损失，例如90 rpm（对于1,800rpm的基速电机）。较新的VFDS提供上面注意的所有控制类型，即使是V / Hz，因为它在某些应用中的有用性。

直接转矩控制(DTC)，另一种先进的电力驱动技术，直接控制电机的转矩和速度，而不需要单独的电压和频率控制(参考文献6)无电机轴位置或速度反馈。此外，直接转矩控制还可与永磁同步和同步磁阻式交流电机配合使用。

DTC消除了在上述脉宽调制(PWM)驱动器中发现的调制器阶段的需要。这可以减少处理电机参数测量和执行控制命令之间的固有延迟。它需要一个非常精确的电机模型，并且DSP能够以12.5微秒的间隔将瞬时转矩和磁链与参考值进行比较。

对于它们来说，电动伺服系统提供了当今最精确的运动控制方法，为动态定位响应提供了极其快速的闭环。磁场定向控制广泛应用于伺服驱动器(参考文献7)。伺服运动使用编码器，解析器和其他反馈类型的电机状态信息。然而，为了获得最终的点对点载荷定位和运动点之间的平滑、精确的轨迹控制，需要极高分辨率的反馈。

4.软件影响

方程式和马达模型很早就有了，但要将它们应用到动态运动控制程序和算法的软件中，还得等到计算机普及之后。同时，mpu、数字信号处理器和用于执行运动控制器和电机驱动器程序的微芯片的性能也在不断提高。更高的执行速度和巨大的内存增长成为可能。

一个结果是，在相同的电子驱动器中结合以上提到的多种电机控制拓扑的能力和经济原理。简单的软件参数改变就可以改变控制模式。

运动控制软件的另一个方面在电子驱动器/电动机组合的设置中是有帮助的 - 特别是对于伺服驱动器（REF 8）。自适应控制器中的调谐算法可以连续调整伺服调整增益。这种智能内置于驱动器中也可以检测其他参数，如电机温度变化和控制干扰，提高运动系统性能。

在用户级别，市场上可提供基于PC的运动控制软件包。这些软件工具的功能包括运动系统元素，预编程运动功能，软件向导，仪表板等的设置和配置。提供了交互式点击和单击和图形编程接口。可提供常见的编程语言和开发环境。

模拟是软件创新的另一个领域。它允许在构建硬件之前的软件中的运动控制系统“虚拟原型”。这可以显示设计如何工作，检查复杂的运动系统细节，并探索潜在的设计权衡和替代方案。仿真软件可以降低开发运动控制系统所需的成本和时间。例如，它可以削减物理测试，但不能消除它。但是，模拟不是灵丹妙药;它必须用护理和实用的工程感（REF 9）。

5.机电一体化

机械和电子系统传统上是物理上分离的单元。运动控制领域在20世纪90年代中期经历了巨大的变化，当时电机和控制集成开始大规模出现(文献10)。许多制造商推出了一系列产品——首先是将交流感应电机与vfd组合在一起，即所谓的集成电机。然后类似的组合单位成为伺服和步进电机和他们各自的控制器(参考文献11)。

在电机上安装控制电子设备可以带来各种好处——例如，在电机、驱动器和相关导管托盘之间不需要长电缆就可以降低安装成本，更少的系统组件，更容易诊断和维护，以及更简单的控制架构(参考文献12)。然而，集成电机的成功没有预期的那么大，主要是在感应电机和驱动领域。也许这是由于较少的有利应用程序或用户的矛盾心理。尽管如此，这些感应电机/驱动组合仍然在市场上的规模高达22千瓦，服务于适当的应用和混合控制架构。

另一方面，集成伺服和步进电机做得更好。更多的供应商正在提供这些单位，更多的产品尺寸正在引入。一个恰当的例子是集成电机开发的一个最近的例子(参考文献13)。这些集成电机的更小的物理尺寸和功率也有利于更多的应用。

随着电子运动控制的成熟，其在制造业中的应用扩展到服务于多个运动轴。这促进了分散或分布式控制架构，通过快速通信网络连接到整个工厂控制系统。这种混合结构有利于所有类型的集成电机。电子集成的程度可以根据具体的生产线量身定制。所有的控制电子不需要在伺服电机内部或在感应电机顶部，只要附近，获得一些好处。

在较大的视野中，机电分析超出了组合机械和电子设计的最佳实践，包括控制系统和软件开发。事实上，软件已添加到机电一体化的成功（参考文献14,15）。如前所述，在没有构建多个硬件原型的情况下模拟运动控制系统的能力已经是一个关键进步。Mechatronic Design的软件元素 - 一直仅限于大型工程部门 - 已经能够过滤到更广泛的应用程序，并且在工业PC上更容易使用，更容易使用，更容易使用，更容易使用。

今天，在电子运动控制的这五个领域继续发展的道路仍然是开放的。

弗兰克·J·巴托斯，体育，退休的，是前控制工程执行编辑和咨询编辑。braunbart@sbcglobal.net.．由内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程、《媒体，mhoske@cfemedia.com.．

关键词:运动控制，电机控制，vfd

运动控制的五个趋势塑造了过去，指引了未来。

电机驱动器以及功率转换晶体管和微处理器

运动控制算法、软件影响和机电一体化。

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参考文献

1.电子运动控制，然后和现在(2014)

2.基于步进电机的系统保持竞争力（2013）

3.交流驱动器在21世纪仍然至关重要(2004)

4.微芯片在运动控制方面做得更多（2010）

5.3(或更多面的)交流变速驱动器（2001）

6。DTC:一种可以控制所有季节的电动机(2013)， ABB白皮书Adobe PDF文件

7。你的伺服系统有面向磁场的控制?(2004)

8.伺服系统应用技巧(2006)

9.运动控制中的仿真软件（2010）

10.集成电机驱动器寻求更广阔的市场，用户接受（2000）

11.集成，智能电机和控制将在您的未来（2001）

12.集成电机和驱动器:优点和解决方案(2016）

13.集成电机提供灵活性(2019年8月)

14.模拟扩大机电一体化(2007)

15.机电一体化，便于控制系统设计（2013）