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运动控制技术的发展

 

 

运动控制起源于早期的伺服控制(Servo mechanism),伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控(CNC)技术、机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器,往往无需另外的处理器和操作系统支持,可以独立完成运动控制功能和人机交互功能。这类控制器可以称为独立运行(Stand-alone)的运动控制器。

这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计,往往根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能,用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件,利用RS232等通讯方式传输到控制器,控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用。控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议,用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。因此,通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。

由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987年,美国空军在美国政府资助下发表了著名的NGC (下一代控制器)研究计划,该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念,这个计划的重要内容之一便是提出了开放系统体系结构标准规格(OSACA)。自 1996 年开始,美国几个大的科研机构对 NGC 计划分别发表了相应的研究内容,比如在美国海军支持下.美国国际标准研究院提出了EMC (增强型机床控制器);由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了OMAC (开放式、模块化体系结构控制器),其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。该计划启动后不久便公布了一个名为OMAC APT的规范,并促成了一系列相关研究项目的运行。

通用运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支,在 20 世纪 90 年代,国际上发达国家,例如美国进入快速发展阶段。由于有强劲市场需求的推动,通用运动控制技术发展迅速,应用广泛。近年来,随着通用运动控制技术的不断进步和完善,通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品,已经被越来越多的产业领域接受,并且已经达到一个引人瞩目的市场规模。

自 20 世纪 80 年代初期,通用运动控制器已经开始在国外多个行业应用,尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小,国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。

通用伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流(DC) 和交流 (AC)  伺服系统,20 世纪 50 年代,无刷电机和直流电机实现了产品化,并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用,20 世纪 70 年代则是直流伺服电机的应用最广泛的时代。但直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,在运行过程中转子容易发热,影响了与其连接的其他机械设备的精度,难以应用到高速及大容量的场合,机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

从 20 世纪 70 年代后期到 80 年代初期,随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高,交流伺服技术——交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点,特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性体现出交流伺服系统的优越性。在交流伺服研究领域,日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列,日本的安川公司在 20 世纪 80 年代中期就研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。

    我国从七·五八·五期间也投入不少的资金和人力研究交流调速和伺服系统,但一直没有产业化。清华大学、冶金部自动化院伺服研究所、机械部机电数控集团、襄樊机床等科研单位和企业曾大力研究相关技术,部分产品的性能指标也达到了国外同类产品的水平,这在当时都是国家支持,有名的科研院所牵头进行的轰轰烈烈的国家攻关项目。但是这些产品基本上都没有形成大批量的生产能力,也没有产生应有的经济效益。


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