1.1 現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活對運動控制的需求

19世紀70年代前后，相繼誕生了直流電動機和交流電動機，從此人類社會進入了以電動機的運動控制為動力實現(xiàn)自動化的時代，運動控制對社會的發(fā)展、生產(chǎn)和生活的現(xiàn)代化進程起到了積極的推進作用。運動控制系統(tǒng)主要包括電動機、電動機控制器、信號檢測與傳輸系統(tǒng)、人機界面等。根據(jù)電動機的類型劃分，運動控制可分為直流電動機調(diào)速、異步電動機變頻調(diào)速、步進電動機控制、永磁同步電動機伺服控制、無刷直流電動機控制等各種控制類型。根據(jù)控制目的劃分，運動控制可分為以轉(zhuǎn)速為控制量的調(diào)速控制系統(tǒng)、以角位移或直線位移為控制量的位置伺服控制系統(tǒng)，以及張力、多電動機同步控制等各種類型。

運動控制已經(jīng)廣泛應用到軍事領(lǐng)域（如火炮、雷達控制）、工業(yè)領(lǐng)域（如高精度數(shù)控機床、機器人、紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療設備、半導體設備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線等）及民用領(lǐng)域（如電梯、電動汽車、軌道交通等）。

在機械加工行業(yè)，加工設備已經(jīng)從普通機床步入到數(shù)控機床、加工中心的時代。現(xiàn)代機械加工設備中，使用永磁無刷伺服電動機代替步進電動機做進給運動已經(jīng)成為標準，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)，在主軸傳動中采用高速永磁交流伺服取代異步電動機變頻驅(qū)動來提高效率和速度已成為熱點。當今數(shù)控機床突出高速、高精度、高動態(tài)、高剛性的特點，對控制系統(tǒng)的要求包括定位速度和輪廓切削進給速度、定位精度和輪廓切削精度、精加工的表面粗糙度，以及在外界干擾下的穩(wěn)定性等。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。

紡織印染行業(yè)是國民經(jīng)濟的一個重要部分，以前的行業(yè)技術(shù)進步主要是依靠變頻化、PLC化，只有少量紡織印染機械采用了高檔伺服技術(shù)，用于提高精度和效率。目前高檔梳棉機、帶自調(diào)勻整的并條機、新型粗紗機、數(shù)控細紗機、分條整經(jīng)機、漿紗機、圓網(wǎng)印花機、工業(yè)縫紉機等設備應用了交流伺服技術(shù)。例如，無梭織機上已經(jīng)開始采用帶交流伺服的電子送經(jīng)和電子卷取，圓網(wǎng)印花系統(tǒng)中；絡絲機是織造前工序的精密工藝設備，絡絲機控制系統(tǒng)綜合應用了步進、無刷、伺服、運動控制、網(wǎng)絡通信等方面的技術(shù)，將各種天然絲絡成各種規(guī)格的柱狀、寶塔形、雙錐形筒子，用于染色、整經(jīng)、針織等后道工序，其核心是利用高動態(tài)的橫動伺服電動機及數(shù)字卷繞技術(shù)，取代傳統(tǒng)的機械傳動而實現(xiàn)單錠化和數(shù)字化，每錠之間依靠CAN總線聯(lián)系?？梢?，紡織印染是未來交流伺服大批量應用的重要行業(yè)之一。

無軸（電子軸）傳動技術(shù)在印刷機上的應用，也是目前全球印刷企業(yè)和機械制造商的焦點。無軸傳動就是用多個單獨的伺服電動機取代傳統(tǒng)的機械傳動鏈，伺服驅(qū)動器之間依靠高速現(xiàn)場總線進行聯(lián)系，通過軟件保證各伺服軸對內(nèi)部的虛擬數(shù)字電子軸保持嚴格同步。無軸傳動技術(shù)為印刷機的生產(chǎn)制造帶來最佳解決方案。

包裝設備上，采用數(shù)字伺服技術(shù)的電子齒輪和電子凸輪將代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械部件，可以提高單位時間的產(chǎn)量、提高資源利用率、增加品種適應性和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

新型的電梯曳引機，采用永磁同步伺服電動機做無齒輪直接驅(qū)動，取代異步電動機變頻驅(qū)動，具有更高的控制精度和動態(tài)特性，且具有高效率、低噪聲的優(yōu)點，已經(jīng)成為國際和國內(nèi)主要電梯廠的熱點產(chǎn)品。

圖1-1所示為幾個典型的運動控制應用案例。其中圖（a）所示為采用交流電動機變頻調(diào)速的電氣列車；圖（b）所示為采用多臺伺服電動機控制協(xié)同控制的機器人；圖（c）所示為印染機械中的熱風拉幅定型機，在織物拉幅之前的對中和探邊、熱風定型過程中的多單元恒張力控制，以及最后的恒張力卷繞都是采用變頻調(diào)速控制的。

圖1-1 運動控制應用案例

圖1-1 運動控制應用案例（續(xù)）