电子运动控制，过去和现在都是

运动中的自动化故事:在过去的60年里，运动控制系统发生了巨大的变化。从专有的“黑匣子”控制器和早期的模拟驱动器，电子技术的进步已经导致了今天很大程度上的自动化控制，依赖于数字信号处理器、软件中实现的精确电机模型，以及与设施中其他系统连接的能力。四个在线扩展，与历史图片库，涵盖更多的功能和历史。

曾几何时，运动控制主要是基于硬件。与今天的产品相比，笨重的专有控制器性能较慢。那是一个磁管或真空管放大器、硬布线、电位器设置、跳线电路和众多独立部件的时代。尽管如此，工程师和设计师坚持不懈地将这些限制推向了运动控制自动化的孤岛。

随着时间的推移，固态电子、计算机和微处理器推动了强大运动控制器的发展。电流/电压整形和功率开关器件的显著改进是进一步推动进步的因素。这些发展的目标是改善控制各种类型的电动机，已经发展了100多年。

根据应用需求和电机类型的不同，采用了伺服系统和变速驱动器这两条平行路径。机床工业对高精度运动控制的需求导致了数控(NC)加工过程和早期使用带电机位置反馈的直流(dc)伺服系统进行误差校正。无刷直流电动机伺服系统和高分辨率反馈技术仍在发展中。卡片和穿孔纸带为数控机床提供了早期的输入手段。到20世纪60年代中期，计算机数控(CNC)开始取代数控。到20世纪70年代，成熟的计算机技术与运动控制永久地联系在一起。微处理器很快就出现了。

一般用途选项

对于通用运动控制，早期的兴趣也集中在直流电动机上，因为与交流电机相比，直流电动机的速度和转矩控制更简单。然而，与更简单，更便宜，但更难控制的交流感应电机相比，更昂贵和复杂的直流电机结构(机械换向器(相位开关装置)和碳刷之间的权衡。电动机对运动控制进展的影响在单独的在线扩展中进一步探讨(参考文献1)。

早期的交流变速驱动器(VSDs)由于难以实现更复杂的控制，只能在开环中运行。然而，电机控制算法的发展使得变频器越来越强大。从开环到闭环，出现了几种VSD控制变体(参考文献5)。西门子在20世纪70年代早期开发的磁场导向(通量矢量)控制，并在接下来的十年中不断完善，使交流VSD性能能够在许多应用中与直流驱动器竞争(参考文献6,7,8,9)。

与此同时，尽管有周期性的预测，直流变速驱动器并没有消失。它们与ac VSD同行一起受益于技术进步(更多信息见参考文献3)。

下面，ac/dc驱动器将在运动控制技术的更广泛的视野内进行讨论。

软件、硬件进展

随着强大的数字信号处理器的出现，更复杂的运动控制可以在软件和硬件上实现。这些方法包括脉宽调制(PWM)、直接转矩控制(ABB在20世纪80年代中期获得专利，并于1995年首次在变频器中上市)、更精确的电机模型、现代PID(比例、积分、微分)控制和其他伺服控制算法。在构建硬件之前在软件中模拟运动系统的能力也成为一个有用的工具(参考文献12,13,14)。罗克韦尔自动化公司(RA)提到了机电设计软件的强大功能，它可以优化运动控制解决方案的性能、效率和尺寸。RA集成架构的商业项目经理保罗·惠特尼(Paul Whitney)说:“这与先前需要适当大小的系统组件的分析形成了鲜明对比。惠特尼指出，该公司的运动分析仪是一种工具，可以让工程师评估材料、尺寸、组件和可用运动系统之间的权衡，甚至分析能源成本。

半导体在推进运动控制方面发挥了重要作用。到20世纪60年代，用于电机驱动的可控硅整流器(scr)和集成电路出现了。双极结晶体管和栅关断晶闸管(GTOs)在20世纪70年代中期出现，用于处理功率开关、电流/电压整形和电子换向的开始。然后在20世纪80年代末，绝缘栅双极晶体管(igbt)彻底改变了VSDs，以低损耗提供更高的开关速度。额外的功率半导体类型是专门为中压驱动器的更高功率需求而开发的。参考文献15，第43页有一个有趣的发展时间表。

终极运动控制

电动伺服系统已经发展成为当今最精确的运动控制方法。伺服系统在众多应用中为动态定位响应提供快速闭环。来自电机的高分辨率反馈是实现这种性能的关键。微处理器功率进一步允许新一代伺服系统添加复杂的功能，例如，同步控制器的多轴控制(参考文献16,17,18,19)。

安川美国公司自20世纪90年代初第一个全数字伺服放大器进入市场以来，验证了电子技术的惊人进步。安川美国驱动与运动事业部产品经理Scott Carlberg表示，当时伺服电机的典型反馈分辨率为1,000计数/转(cpr)，频率响应在250 Hz范围内。Carlberg表示:“如今的伺服系统的设计能够处理超过1600万cpr的反馈分辨率，频率响应超过3 kHz。微芯片的速度和处理能力的提高导致了伺服性能的突破，使控制工程师能够创造创新的功能，例如，大大简化调试过程和整体机器性能。

Carlberg表示:“目前，一些更复杂的伺服系统配备了自适应调谐算法，无论负载惯性或运动轨迹发生变化，都能自动持续地将伺服调谐增益调整到最佳水平。”“这种先进的功能消除了历史上与伺服调谐相关的‘黑魔法’。”

抑制振动

安川提到，振动抑制是当今高功率微处理器的另一项最新进展。具有这种功能的伺服系统可以使用高分辨率反馈装置检测对机械传动部件的性能和寿命有害的不同类型的机器振动。放大器中的算法调整运动指令，以抵消检测到的特定频率的振动，从而消除了这个问题。

“所有这些都是自动发生的。用户留下了一个更快、更安静、更高效的机器循环，”Carlberg补充道。

三菱电机自动化公司(Mitsubishi Electric Automation Inc.)也指出了反馈设备的巨大进步。“在过去几年里，编码器的分辨率提高了1000倍。使用旧的正交编码，伺服电机仅限于高速或高分辨率，”三菱自动化解决方案团队负责人布莱恩·奈特(Bryan Knight)说。“最新一代高分辨率编码器克服了在嘈杂的工业环境中可靠计数超过几兆赫的脉冲的挑战。”它使用了更好的光电系统和编码器中的编码模式，以及与伺服驱动器的高速串行通信。

这种组合方法允许同步编码器时钟与伺服驱动器和运动网络。因此，每个伺服轴的反馈数据可以准确地同时报告，以实现高轴-轴同步。快速、准确、同步的运动在打印和转换等应用中至关重要。

Knight表示，除了提高位置和同步精度外，更高的反馈分辨率还能获得更平滑、更准确的速度信息。“更好地了解电机上发生的事情，结合更快的信号处理和创新算法，几乎消除了手动调整伺服驱动器的需要。”在过去，伺服系统的调谐一直是一个复杂的问题。新的数据可用性带来了额外的好处:实时分析振动、共振、惯性载荷和能耗。

Knight表示:“有价值的预防性维护和诊断信息可以最大限度地减少停机时间，优化系统机械部件的维护间隔。”

三菱电机同样认识到，随着时间的推移，运动控制器的处理能力大幅提高，从而使机器系统的控制响应速度更快。然而，奈特警告说，机器的运行速度是有限的。不过奈特说，这些额外的处理能力不会被浪费掉。“用户不再需要在编写复杂的手工优化代码以获得最大性能或编写可读的代码以简化故障排除之间做出妥协。”额外的处理速度允许运动程序使用模块化编程技术和可重用函数块库来简化程序开发和简化在役机器故障排除。

MR-J4伺服驱动器和电机是三菱电机各种运动控制产品中的一个主要例子。

一个控制平台

罗克韦尔自动化的惠特尼表示，在过去，工程师们被迫使用多个控制器来满足大多数制造环境中出现的离散、过程、驱动、安全和运动控制功能的混合。这意味着用于离散控制的PLC，用于多轴控制的运动控制器，以及用于过程应用的分布式控制系统或环路控制器。

“事实证明，每个控制器的单独集成既耗时又昂贵。如今的可编程自动化控制器(pac)能够通过一个控制平台处理所有这些应用，”Whitney以罗克韦尔自动化的Logix控制平台为例说道。Whitney解释说，其结果是通过可重用的编程工具加快启动速度，减少备件(和维护人员)降低维护成本，并在应用程序之间更好地共享信息，以满足整个工厂的控制需求。

能够连接各种应用程序的“融合网络基础设施”是RA指出的另一个进展驱动因素。在过去，原始设备制造商为离散(或安全)应用和运动控制使用单独的网络技术来制造设备。今天，机器制造商可以使用一个简化的网络基础设施提供实时信息。EtherNet/IP作为一个网络，而“不需要专用的运动或安全网络”，Whitney继续说道。“作为一种拓扑结构，运动控制可以放置在基础设施的任何地方，而无需将网络上的流量与其他形式的流量进行物理隔离。这提供了更多的设计灵活性，并减少了调试和部署期间的维护问题。”

分散的架构

20世纪90年代中期，两种截然不同的技术环境——电机和控制系统——实现了不可思议的结合。这种组合产品沿着平行线进行商业化，将异步电机与运行在开环中的VSDs结合起来，将伺服电机与驱动器结合在闭环包中。西门子工业公司驱动技术运动控制产品经理Craig Nelson解释说，应用实例包括输送机控制(第一种情况)和需要协调运动的包装机械(第二种情况)。功率范围高达约7.5 kW和4 kW适用于上述两种情况。

Nelson认为分散的方法是运动控制中一个重要的、更新的发展。今天的第二代产品优于早期的小众产品。它们提供如下所述的几个优点。(详见参考文献1)

集成程度随系统设计的不同而不同。通用(基于感应电机)系统与安装在电机或机器上的所有功能和硬件更加集成。向基于驱动的机器安全功能的迁移也符合分散式设计。

与此同时，根据Nelson的说法，基于伺服电机的系统正朝着混合设计的方向发展。这意味着微处理器、专用集成电路(asic)和其他电子设备仍然位于中央机柜的受控环境中，但驱动电源设备安装在伺服电机上。

Nelson补充说:“这种方法仍然具有分散解决方案的主要优势(短电机电缆和较小的控制柜，热量更少)，但更敏感的电子设备得到了更好的保护。”

西门子Sinamics S120M采用混合方法，还受益于单电缆方法，大大减少了整个驱动系统的布线(见图2)。该架构进一步将交流到直流电源转换置于中心位置，并通过混合电缆传输直流电压。这创建了一个公共直流母线系统，允许跨电机驱动器的功率共享。

一路行动

在过去的15-20年里，各种各样的发展增强了运动控制器和电力驱动的能力。其中包括以下内容，并在在线扩展中进一步覆盖(参考文献2):