档案里的运动控制

提供一个回溯到世界运动控制技术，在之际控制工程的60周年纪念，杂志档案提供了自1954年以来可用的惊人一瞥。各种电机和运动控制的发展涵盖了主要文章“电子运动控制，过去和现在，”出现在控制工程的60周年纪念特刊，2014年9月。这个运动控制产品和技术综述在线看电机，运动，并驱动发展从60年前到2008年在这个在线扩展(3的4)的主要文章。

“面向工程师的内容”是一个指导方针控制工程早在这句话成为它现在的公司CFE Media的名字的一部分之前。(CFE是Content for Engineers的缩写。)以下摘录自《行政长官》的原话已尽可能地保留下来，以描绘时代的味道。公司的名称和地点与当时一样。一些社论评论提供方括号内所示的上下文和评论。(在页面底部的反馈区域添加您的评论。)联机链接取代了1997年以后项目的标准参考信息。

50到60年前:磁放大器、硅整流器、关断可控硅……

关于磁放大器的基本事实

Harold A. Goldsmith, Herbert Herz, Barney J. O 'Neill，磁放大器公司，1954年12月控制工程，第1卷第4期(第40-47页)。

磁放大器是现代控制技术中最有用的工具之一。它们利用小输入的磁效应来调制大量的功率。本文介绍了几种性能良好的放大器电路，其中包括两种用于特定伺服应用的放大器电路。[其中一个应用的基本数据，中等功率定位伺服系统，包括]:磁放大器具有650 W输出功率，尺寸为10-3/8 x 20¼x 8¾英寸。[264 x 514 x 222毫米]和重90磅[41公斤]。电机是一个低惯性，2相感应伺服电机，提供200w的负载轴。

图1显示了一个商业版本的密封推挽式磁伺服放大器。

大功率硅整流器效率很高

新产品，1955年9月CE，第2卷第10期(第191页)

新推出的硅整流器的电压范围从10安培(峰值反向电压为50v)到5安培(峰值反向电压为200piv)。它们的额定功率在125℃下提供连续的全功率。硅的高正向电导和低漏电流提供了极高的效率。在普通应用中，效率从90%到99%不等。硅没有老化效应。这些装置是密封的，设计用于传导冷却。［见图2;将鼠标悬停在图像上以查看标题．］

Transitron电子公司，梅尔罗斯，马萨诸塞州

电压通过位置伺服转换为位置

新产品，1955年10月CE，第2卷第11期(第104页)

这个机构本质上是一个微型的位置伺服系统。它通过使用伺服电机和跟踪电位器将输入电压转换成轴的位置。内部Datran C104模型包括一个两级电压放大器，一个磁功率放大器，一个两相伺服电机，一个齿轮传动系统和后续锅。尽管正常的线路电压变化，通过使用相同的电源输入传感器和伺服器获得高精度。［参见图3．］

Datran工程公司，曼哈顿海滩，加州

晶体管在100摄氏度时耗散3.5瓦

《新产品》1956年3月《CE》第3卷第3期(第126页)

据说非常适合伺服放大器，970型硅功率晶体管在25℃时耗散8.75瓦，在100℃时耗散3.5瓦。功率增益在25瓦输出时为18 db, B类操作。

德州仪器有限公司，达拉斯，德克萨斯州［参见图4．］

考虑使用混合放大器

George A. Attura，工业控制公司，1956年5月CE，第3卷第5期(77-82页)

一种新技术被用于自动控制——混合放大器。它部分基于最近开发的元件和元件，部分基于老式的放大方法，包括真空管放大器及其相关元件。［评论:这些放大器用于控制2相伺服，PM直流伺服和扭矩电机类型．］

混合电路由三个信号放大器组合而成:

真空管——应用最广泛，电路高度发达，每级耗散明显，可靠性仅适用于优质真空管和降速电路，级增益高。

晶体管——最近的发展，制造技术还没有完全稳定，电路正在加紧发展，可靠性好，使用最好的晶体管，低损耗，中等级增益。

磁放大器——高速电路，核心材料和元件发展良好，可靠性好，在许多电路配置中级耗散高，级增益低。

［评论:磁放大器在20世纪50年代和60年代是高科技产品．］

通用电气和西屋电气推出开关可控硅

最新消息，1963年3月CE，第10卷第3号(第25页)。

新的可控硅整流器可以在直流电路中通过从栅极抽出几微秒的反向电流来关闭。现在可提供2安培。

两相伺服电机的可控硅Bang-Bang控制

D.J.麦克斯韦尔，Aeronca公司公司，1963年6月CE，第10卷第6期(93-94页)

时间最优(砰砰)伺服机制要求电机控制电路应用全功率向前，然后全功率反向，与所有功率移除，就像电机停止。继电器实现了这种类型的电机控制。下面是如何用硅控制整流器控制两相伺服电机。

下一页:了解更多关于1964年至1974年发生的汽车发展。

(参见上一页。)

40到50年前:旋转伺服驱动器，可控硅可控硅驱动器，计算机控制的定位……

直升机补偿交流伺服

施莱辛格，珀金-埃尔默公司，1964年9月CE，第11卷第9期(第113-114页)

交流伺服系统的滞后和超前补偿网络可能会变得非常复杂，特别是在系统载波频率不能严格控制的情况下。这里是一个使用机电斩波器的电路，允许RC补偿网络几乎像直流伺服系统中使用的那样简单。

旋转伺服驱动器定位最终元件

新产品开发，1964年10月CE，第11卷第10期(134页)

由电源，电机，传动装置，晶体管放大器和反馈元件组成，伺服执行器模型csi -133 -用于单速或双速同步直流或交流命令信号-是提供100盎司-in扭矩的一系列系统之一。到750盎司。[0.71-5.3 N-m]输出速度为每秒30度或更高。整个系统的精度为0.2%。工作温度为-55℃至+100℃，所需功率为115 vac, 400 cps或60 cps，输出轴直径为0.25 in。(6.35毫米)。［参见图5．］

控制技术有限公司纽约长岛市

可控硅可控硅驱动

新产品开发，1964年11月CE，第11卷第11期(第126页)

可在1/8马力至1马力范围内[0.09-]。75 kW]，这些可控硅驱动器由用于无级控制电机速度的控制器，操作员按钮站和直流电机组成。一个闭环反馈电路被认为是保持一个基本恒定的电机速度，尽管不同的电机负载。标准功能包括20对1的速度范围(100对1轻间歇工作)，±3%或更低的速度调节，缓冲启动的时间限制加速，运行-慢跑选择开关，单结点火电路，以及防止短路，电机过载和瞬变的保护。［参见图6．］

卡特勒-哈默公司，密尔沃基，威斯康星州

逻辑步进电动机

新产品开发，1964年12月CE，第11卷第12期(第111页)

只有1.378英寸。直径[和]0.858英寸。长[35 x 21.8 mm]，逻辑步进电机K82201在脉冲按逻辑顺序施加到其绕组时运行。步进率为0至360步每秒，最大步进扭矩0.486盎司-in。[3.43 x 10-3 N-m]。K82201额定为连续工作，双向，可作为同步电机使用。［参见图7．］

海顿公司，康涅狄格州沃特伯里

直流驱动

新产品开发，1965年1月CE，第12卷第1期(第150页)

该公司固态直流驱动器系列的最新产品是Statohm 250 HP。据说效率为96%，维护要求低，它具有可控的加速度，可调的红外补偿，可在速度范围内调节2%(可调节到±0.1%)，欠压和过压保护，正断开直流接触器，以及带灯显示的自动相位旋转联锁。［参见图8．］

康涅狄格州诺沃克市电气调节器公司

涡流开车

新产品开发，1965年2月CE，第12卷第2期(第108页)

高输出扭矩和低输出惯性的动态响应是涡流变速驱动器指定的电驱动伺服的特点。标准NEMA d -法兰交流电机从¾到30马力[0.56-22千瓦]提供恒定的输入速度。外部可访问的磁拾音器提供反馈固态可控硅伺服控制。调节为全速的±1%，低至50转/分，负载范围从25%到100%的容量;对数加速度，从2秒调整到15秒，是一个标准。

位于纽约州布法罗的WER工业公司

伺服放大器用于快速位置控制

新产品开发，1972年2月CE，第19卷第2期(第37页)

A5261型伺服放大器具有高扭矩，响应快的特点。由A5261驱动的低惯性电机可以在不到1毫秒的时间内达到1,000 rpm，而低速40帧电机可以开发350 oz-in。[2.47 N-m]连续转矩。该放大器的额定连续电流为4.5安培，直至短路。它配有115/220伏，50/60 cps的电源，三个可调增益信号输入，平衡和限流调节，并提供系统补偿。价格低于350美元。［参见图9．］

Westamp Inc.，圣莫尼卡，加州

计算机控制的定位系统精确到五万分之一

新产品开发，1972年3月CE，第19卷第3期(第71页)

System 1100是为工业应用而设计的数字编程位置控制系统。精确到50,000分之一以上，定位速度可达1,000 rpm。该系统使用绝对型(非脉冲计数)位置换能器，可提供对杂散脉冲和零位参考位置损失的免疫力。接口电子可以适应任何数字计算机输出或其他数字命令发生器。独立的回转控制系统只允许对终点进行命令，从而节省了大量的计算机软件和时间。在连续路径应用中，步长可以由计算机自动改变，以提供与所需的平滑度和整体精度一致的最佳速度。完整的系统是一个带速率反馈的闭环位置伺服系统，用于稳定和回转控制。执行器由直接驱动扭矩电机、转速计和位置反馈传感器组成，所有这些都包含在一个单独的组件中。

控制系统研究，匹兹堡

固态直流电机驱动器

1972年5月CE，第19卷第5期(第54-61页)

［点评:本专业CE文章总结了当时直流驱动技术的大量存在。六整页表详细规格和功能78直流驱动产品可从46家制造商．］

变频电机控制系统效率98%

新产品开发，1972年12月CE，第19卷第12期(第57页)

已宣布扩展可调频率电机控制和系统系列，用于处理从¾到150马力的交流电机。控制装置结合了电流极限加速度和225%的过载能力。速度范围可达40:1，以及NEMA 1结构和全封闭，不通风的NEMA 12结构。效率为98%，这些可调频率电机控制可以适应运行标准交流电机，无论是单独运行还是作为一个系统在一个组中运行。［参见图10．］

拉姆齐控制公司，莫瓦，新泽西州

大功率晶闸管

新产品开发，1973年5月CE，第20卷第5期(第78页)

T920型是一个50.8毫米晶闸管，提供内置的门触发电流放大。T920的有效值电流额定值为1.57 kA，浪涌电流额定值为16 kA, dv/dt额定值为200 V/µsec，正向电压额定值为3 kV。T920采用“power - r - disc”封装，采用单面或双面冷却的平面设计。每100件售价从92美元到400美元不等。［参见图11．］

西屋电气公司(Westinghouse Electric Corp.)位于宾夕法尼亚州扬伍德的半导体分部。

直流伺服电动机

新产品开发，1973年11月CE，第20卷第11期(第90页)

该型号28TL是一个微型直流伺服电机与连续额定扭矩输出2盎司-in。脉冲扭矩超过6盎司/英寸。可用于25%的占空比。绕组有6、12、18和24 V可供选择，该单元的功耗最高可达6w。选项包括耦合低纹波直流转速发电机。价格低于13.50美元的OEM数量为1000或更多。［参见图12．］

Portescap美国，纽约。

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(参见前几页。)

30到40年前:通过调整、微步、综合反馈进行再生……

再生开车

新产品开发，1974年8月CE，第21卷第8期(第78-79页)

PRD-2是一种再生驱动系统，具有独立调整速度和扭矩的特点。该系统包括一个控制器和一个直流电机。电机规格为分流绕线或永磁体，1,450或2,000 rpm, 1/6至2/3 hp (115 V ac)或2/3至1¼hp (230 V ac)。该机组提供±20:1的恒转矩速度范围与匹配的电机，并调节±1%的基本速度为100%的负载变化在任何方向。［参见图13．］

polyspeed电子公司，达拉斯。

［评论:这是一个早期直流再生驱动产品的例子．］

步进电机的微步进控制技术

Albert C. Leenhouts, Superior Electric Co.， 1979年3月CE，第26卷第3期(第58-59页)

通常需要以比传统驱动器产生的自然全步小得多的步进增量驱动步进电动机。因此，有驱动器被称为部长步进器和微型步进器。早在20世纪60年代，人们就已经在微步上做了大量的工作，但直到最近，低成本的复杂集成电路和良好的功率开关设备才使微步成为一种实用的选择。步进分辨率可提高十倍以上，单电机可实现多分辨率。

［评论:后来的设计使更高的步进分辨率成为可能。大约在1985年，一些步进驱动器据说能够达到25000到50000步/转。然而，随着电路设计变得更加复杂和高开关率对电源的施加，在更高电机速度下的微步进出现了实际问题。精确的反馈也成为保持分辨率的必要条件，这违背了步进系统开环控制的基本目标．］

二合一PWM伺服控制器

控制产品预览，1982年3月CE，第29卷第3期(第89页)

6020HRJ型PWM伺服控制器可以通过选择四个可选跳线使其输出翻倍。这种改变将6020转换为制造商的[OEM]型号8030J…以尽量减少必要的库存。

前置放大器具有用于反相输入的三个可调比例因子，一个非反相输入，平衡调整和用于超前滞后补偿的增益调整。超前滞后网络和三个反相输入电阻安装在隔离上，便于补偿变化。PWM功率状态具有恒定的高频开关，可用于宽带操作，功率因数可忽略不计。电路，与LED指示和放大器关闭，防止短路，欠压，过压和低电平供应。

峰值输出电流额定值为(6020和8030):±24 A或±33 A，最大脉冲输出电流(2秒)额定值为±20 A或±30 A。最大连续电流规定为±10a或±15a。[参见图14航空技术公司宾夕法尼亚州匹兹堡。ctl1409f3 -在线3,1982年3月

单独的控制器有助于调整电机驱动器的位置控制应用

E.J.康帕斯,控制工程1983年8月CE，第30卷第8期(第72-73页)

用于位置控制的电动机驱动器传统上包括反馈控制器电路以及在整个驱动器封装中的功率放大器。伺服位置控制器市场的一个新方向正在出现，其中基于微处理器的反馈控制器单元作为一个单独的封装提供，可以与许多类型和尺寸的驱动功率放大器一起使用。本文首先介绍了一种新型的数字控制器，该控制器设计在终端用户应用中特别友好。

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(参见前几页。)

20到30年前:感应电机作为伺服，软件适应，小型化……

可编程位置控制使用标准感应电机作为伺服

Thomas J. Keehbauch, Allen-Bradley公司，传动部，1984年1月CE，第31卷第1期(第108-110页)

这是一种新的交流伺服驱动器的第一个描述，它使用标准的鼠笼式感应电动机作为高性能伺服，从静止到全额定速度产生全扭矩。这个秘密涉及到转子位置传感、基于微处理器的场矢量发生器和高压晶体管伺服功率放大器。功能包括直接串行接口可编程控制器I/O总线，内置诊断，和一个易于使用的编程系统。

今天的伺服设计:反馈回路中的软件驱动适应

中华民国贝利控制工程1984年2月CE，第31卷第2期(第67-72页)

基于“中频”的动态变化数字反馈补偿。然后……“软件规则可以显著提高当今最新设计中的伺服性能。因此，增益或速率稳定调谐常数可以调整，以考虑执行器的功率限制，例如。任何可能影响性能的可测量参数都可以在反馈子回路中进行操作，以消除或缓和其影响。一个结果是，复杂的频域稳定性建模可能会在紧急情况下退步，因为设计的重点是定位速度和精度的主要伺服目标。

新的电机驱动器可以适应负载

中华民国贝利控制工程1984年8月CE，第31卷第8期(第84-88页)

定制电机驱动器，以特定的在线任务是更容易通过新的微处理器为基础的驱动控制器。供应商可以开发与特定动态加载相匹配的软件，并在发货给用户之前加载到只读存储器中。这样的电机驱动器可以很好地适应灵活制造的单元，因为它们可以更新以适应不断变化的需求。

电动伺服系统的研发并不总是那么安静

F.J. Bartos,控制工程1991年4月CE， Vol.38 No.4 (pp. 60-63)

在这一点上，伺服放大器的小型化正在顺利进行，正如加利尔运动控制公司为高达2千瓦功率的无刷伺服电机设计的SBA系列所示。PWM放大器测量5.1 x 3 x 1.2英寸(130 x 76 x 30.5毫米)。［参见图15．］

［评论:今天，Galil的4轴和8轴运动控制器的包装并不大;然而，它们也容纳伺服驱动器包含4和8个等效放大器，分别在同一单元中(参见在线扩展2中的比较，参考文献2)。．］

直流驱动器在休眠前还有很长的路要走

F.J. Bartos,控制工程1991年8月CE，第38卷第8期(第48-50页)

在竞争中，直流变速驱动器由于技术原因和用户熟悉度而受到青睐。

［评论:正如在2014年9月的主要文章中提到的，预测直流驱动器的早期消亡是不成熟的。它们有许多制造商提供．］

新的交流驱动器结合了小型化的许多功能

F.J. Bartos,控制工程1991年12月CE，第38卷第16期(第69-70页)

［本文以变速驱动器(vsd)的形式介绍了小型化的另一个方面。三菱电子美国公司工业自动化事业部Z024系列驱动器中最小的型号，额定功率为1/8- 1/ 4马力(0.09-0.19千瓦)，可以装进技术人员工作服的口袋里。然而，这款硬盘有一些值得注意的功能，包括一个16位微处理器作为它的大脑。参见图16．］

无刷直流电动机线扩展到600马力

新控制，1992年12月CE，第39卷第14期(第79页)

据说这是同类产品中最大的，铁氧体永磁无刷直流电机高达600马力[450千瓦]输出是可用的。500AT的基本转速为300至1,750 rpm;它有风冷和液冷两种版本，直径约25英寸。[635 mm]外径。这些电机的无刷直流控制器使用能够处理1,000 A电流的PWM晶体管。

南卡罗来纳州罗克山Powertec公司[参见图17．］

［评论:上述公司现在被称为Powertec工业电机公司，目前使无刷永磁电机(和驱动器)高达400马力。Powertec的简史是可用的．］

下一页:了解更多关于从1994年到最近发生的运动发展。(另见相关文章)。

(参见前几页。)

10到20年前:数字伺服系统、集成电机驱动、智能运动……

直流驱动器保持需求

F.J. Bartos,控制工程， 1994年10月，第41卷第12期(61-64页)

用户忠诚度和新发展的涌入使成熟的直流变速驱动器技术保持可行性。

［评论:除了从整体上证明直流驱动器的持久力外，这篇文章还附上了一张历史图片，将信实电气公司的新型直流驱动器与40年前的直流驱动器进行了对比(见图)。“新”驱动器是FlexPak 3000数字驱动器，具有最新的显示器，设置和控制，而旧驱动器代表了1954年的技术控制工程杂志。旧驱动器中可用的诊断“是一个真空管，其发光模式指示某些驱动器条件。”参见图18。］

多种控制方案推进运动控制

Carrol A. Wonthrop Jr.， George Ellis, kolmorgan Motion Technologies Group, Ilan Cohen博士，Servotronix Control Technologies Ltd.， 1996年10月CE，第43卷第10期(第65-68、74页)

数字伺服系统提供当今最复杂的运动控制。下面我们来看看这种性能背后的一些算法。

［评论:较新的运动控制器容纳多种控制方法。所讨论的算法超越了比例-积分-导数(PID)控制，包括伪导数反馈——一种特殊的PID极点布置，和高级极点布置，这是高阶方法。讨论了每种方法的优缺点。］

电动伺服用更少的钱做更多的事

F.J. Bartos,控制工程， 1997年9月，第44卷第12期(第102-113页)

负载-电机惯量的紧密匹配为伺服驱动器提供了最佳的动态性能。但这样做并不总是可能的或实际的。以下是一些应对高惯性比的方法。大量的伺服控制和软件产品的列表可在时间包括随着评级和功能。［参见图19。］

集成电机驱动器寻求更广阔的市场，用户的认可

2000年12月CE条款(第102-113页)

20世纪90年代中期，交流感应电机和变速驱动器的结合在商业上变得实用，这标志着这两种技术的联姻。

［评论:集成驱动包的伺服(和步进)电机也迅速出现。该技术部门-所谓的集成电机驱动器(IMD) -在主要文章和在线扩展1(参考文献1)中进行了讨论。2000年12月的文章包含了关于先前IMD发展的部分，提供了一些历史兴趣。］

谁最先使用IMD技术?

早在20世纪90年代之前，天才的设计师就在他们的开发实验室中将电机和电子控制集成到一个单元中。概念模型和原型也在前面展示过。其他拓扑结构，如步进电机或基于伺服电机的系统，甚至达到了有限的生产。

［评论:步进电机是驱动器集成的早期候选人，因为驱动器的物理尺寸较小。此类产品最早的例子之一是被称为“电子位置控制系统”的Intellimotor。智能电机由两相步进电机、智能控制器和电源组成。它是1989年由前美国公司Intellico公司推出的(见图)。博丁电气公司于1991年收购了Intellico。显然，这款产品的新版本今天可以从Bimba制造公司获得，商标为IntelliMotor。参见图20。］

早在1991年，丹麦格兰富就将感应电机和变频器结合起来，为其广泛的泵生产线提供动力。其他公司也推出了特色产品。

然而，德国公司Franz Morat KG可能是1993年第一个生产工业用感应电机和变速驱动器组合的公司。该公司的Fumo系列产品功率为0.65-3 kW，输入电压为230/ 460v，非常先进，领先于当时的时代(见图)。Fumo集成了一个并行处理器设备(transputer)，几个通信选项，其VSD具有使用内置编码器选项的定位功能。［参见图21。］

电动伺服系统易于使用，与整个工厂集成

2002年6月CE第22-26页

文章的一部分强调了高分辨率反馈对精确伺服运动控制的关键作用。

博世力士乐指出，其反馈方法结合了光学和电子方法，其中正弦/余弦型中间信号被电子增强。通过进一步将每个正弦波信号分解成大量增量，可以获得超过400万(或2 × 10+22)增量/转数的数字反馈。

该解释接着警告说，这并不意味着能够定位到四百万分之一。

“然而，它提供了为运动系统的动态回路开发高质量速度反馈所需的分辨率水平。高分辨率也限制了电子噪音的影响。”

同样说明了准确反馈的重要性，Industrial Indexing Systems (Victor, N.Y.)在其Emerald EMC-2000多轴运动控制器上增加了一个解析器卡选项。Master Follower Resolver PMC卡提供绝对位置信息，可通过应用程序选择12位、14位或16位分辨率。

智能运动统一了不同的世界

2004年12月CE第26-32页

不同的人对智力有不同的理解。智能运动控制通常在同一个控制包中包含运动和机器逻辑以及功率开关。最近，预测性维护、机器安全和先进通信等其他功能越来越多地成为“智能运动”架构的一部分。

从近期来看:减少电磁干扰，内置永磁电机，微芯片帮助…

开车的寂静

2008年6月CE第56-60页

它们对于节约能源和优化自动化系统非常有用，但可调速驱动器(asd)本身会产生高频电气噪声。在驱动器电源部分产生大电压变化的快速开关晶体管是电气噪声的主要来源，也称为电磁干扰(EMI)。

电磁兼容性(EMC)是解决电气/电子设备的电磁干扰缓解和抗扰性的整体方法。讨论了各种建议和解决方案。[参见图22]

IPM电机的最高能源效率

2008年10月CE，《先进技术》(第22、24页)

［评论:正如在主要文章和在线扩展1(参考文献1)中所讨论的，内部永磁(IPM)电机设计在转子结构中埋入产生磁通的磁体;因此，它不同于传统的永磁电机设计，简单地安装磁铁在转子表面。］

不同的交流电机设计与显著极，IPM转子提供可测量的更高的能源效率和其他好处。IPM转子已经在数控、机床和其他高性能增量运动系统的伺服电机中使用了一段时间。IPM转子的新功能是将其用于更广泛的工业和OEM应用的通用电机。

微芯片对电机和运动控制的作用更大

2010年8月CE先进技术(第23页)

无传感器矢量控制，功率因数控制和更高温度操作是最近的硅发展。

-汇编和编辑Frank J. Bartos, PE, a控制工程投稿内容专员;打电话给他。braunbart@sbcglobal.net．

在线额外

请参阅底部的四篇相关电机和运动控制文章，包括参考文献。

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