运动控制系统在社会中的应用.docx
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运动控制系统在社会中的应用
运动控制系统在社会中的应用
一．运动控制系统的发展史
运动控制起源于早期的伺服控制（Servomechanism）。
“伺服”（Servo）一词最早出现在1873年法国工程师JeanJosephLeonFarcot的一本书LeServo-MotoronMoteurAsservi。
该书中，Farcot描述了在轮船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达的工作原理。
H.Hazen完成了伺服控制理论的基础研究，其结果发表在1934年9月的FranklinInstitute杂志上。
他设计的直流伺服电机在1932年的芝加哥世界博览会上出现。
1940年G.S.Brown在MIT创立了世界上第一个伺服机构实室（ServomechanismsLaboratory）。
MITServomechanismsLaboratory的研究人员在G.S.Brown的领导下，研制出了世界上第一台数控铣床（1952）。
随后，他们又研究开展APT以及计算机辅助设计的研究工作（1952-1969）。
1958年，Kearney&Trecker开发了NC加工中心。
同年，日本富士通和牧野FRAICE公司开发成功NC铣床。
1961年，G.Devol研制成功世界第一台机器人。
随后，被称为机器人之父的G.T.Engeleberger将其商业化成立了世界第一家机器人公司Unimation。
1968年，日本Kawasaki公司从Unimation买进技术。
目前，Yaskawa公司已成为世界最大机器人公司。
机器人技术体现了运动控制和驱动，传感器以及运动机构一体化的新思想。
日本安川（Yaskawa）公司的工程师把这叫做Mechatronics（机电一体化技术）（1972）。
自1973年的石油危机以后，电气伺服成为市场主导。
随着微电子技术和微型计算机技术的发展，交流伺服日趋成熟，为适应市场的多品种，小批量的需求，以计算机控制为核心的FMS（FlexibleManufacturingSystem）CIMS和FA（FactoryAutomation）技术应运而生（1975）。
为适应电子芯片制造的需求，机电一体化技术和运动控制技术被广泛应用于MaskAlignmentWireBondingDieBondingTrimForming等高速高精度的芯片制造设备中去。
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“NGC9（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[3]，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OMACAPT的规范并促成了一系列相关研究项目的运行。
运动控制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。
例如美国已经进入快速发展的阶段。
由于有强劲市场需求的推动，运动控制技术发展迅速，应用广泛。
近年来随着运动控制技术的不断进步和完善，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，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。
目前，运动控制器从结构上主要分为如下三大类：
（1）基于计算机标准总线的运动控制器,它是把具有开放体系结构,独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。
这种运动控制器大都采用DSP或微机芯片作为CPU，可完成运动规划，高速，实时插补，伺服滤波控制和PLC功能。
它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在DOS或WINDOWS等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。
如美国Deltatau公司的PMAC多轴运动控制器和固高公司的GT/GH系列运动控制器产品等。
目前这种运动控制器是市场上的主流产品。
（2）Soft型开放式运动控制器。
它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡，CDROM和相应的驱动程序一样，用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，
从而提供给用户更多的选择和灵活性。
基于Soft型开放式运动控制器开发的典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC，德国PAPowerAutomation公司的PA8000NT，美国SoftSERVO公司的基于网络的运动控制器和固高科技公司的GO系列运动控制器产品等。
Soft型开放式运动控制的特点是开发，制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展。
（3）嵌入式结构的运动控制器,这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品。
它能够独立运行，运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种，对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式，采用针式连接器，更加适合工业应用。
在使用中，采用如工业以太网，RS485SERCOSPROFIBUS等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板，嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器甚至可以通过Internet进行远程诊断。
例如美国ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式运动控制平台系列产品等。
二．在各方面的运用举例
1.在港口机械中的应用
1964年西德的A.SHonong首先提出了脉宽调制的思想,即把通讯系统的调制技术应用于交流电力拖动,它解决了常规六阶段波逆变器中所存在的问题,目前在交流变频器中广泛采用这种技术。
其基本原理就是用等幅、不等宽、按一定期间排列的脉冲波来逼近一条正弦曲线使之产生的电压、电流波接近于正弦波,从而大大消除了谐波分量,提高了功率因数,大大简化了控制线路。
得到极好的调速性能,原理见图。
船舶起重机械变频调速系统的能量回馈船舶起重机在下放重物和减速时,异步电动机处于再生发电制动状态,必须考虑再生能量的处理方法:
（1）耗散到“制动电阻”中（泵升电路的制动单元）;
（2）用并联直流电路向多台变频器供电;（3）使电能回馈到电网。
目前港口起重机还多采用方法
（1）或方法
（2）,但从节能观点来看应该采用方法（3）。
有两种处理电能回馈方法:
（a）双变频能量回馈调速:
系统如图2所示。
当电动机处于回馈制动状态时,所产生的能量经过变频器Ⅱ的逆变侧的续流二极管整流为直流,并对滤波电容进行充电直流电通过直流母线送到变频器Ⅰ,逆变为三相交流电回馈给电网。
（a）双变频能量回馈调速:
系统如图2所示。
当电动机处于回馈制动状态时,所产生的能量经过变频器Ⅱ的逆变侧的续流二极管整流为直流,并对滤波电容进行充电,直流电通过直流母线送到变频器Ⅰ,逆变为三相交流电回馈给电网。
（b）采用功率晶体管IGBT模块组成有源逆变器反并联在变频器的整流侧,如图3所示。
当重物下放减速时,变频器处在降频状态,交流电动机的再生能量给变频器中间直流环节的储能电容Cd充电,使电容两端电压升高,超过电网线电压值后,整流桥反向阻断,由专用微处理芯片（DSP）TM9320C240来启动有源逆变装置,将再生能量反馈给电网。
有源逆变器在SPWM控制下,能保证馈入电网的电量与电网上电压同频同相的正弦波,使系统功率因数接近1,此方法在成本上低于双变频器系统。
2.在电梯系统中的应用
在大型建筑中，电梯的用电量是较为可观的。
据调查，全国星级以上的酒店每年空调和电梯两项耗电量就占据城市耗电量的1/3。
到目前为至全国在用电梯大约有80多万台，因此，对于每天都在不停运行的电梯的来讲，做好节能意义重大。
电梯发展到今天，控制系统在不断使用先进技术。
电梯的控制系统使用的技术不同，其节能效果相差甚远。
目前电梯大多采用交流-直流-交流（交-直-交）变频器驱动交流电机的控制系统，该系统有二种使用较为广泛的形式：
（1）电阻能耗制动的控制系统；
（2）能量反馈的控制系统。
由于电梯在运行过程中会周期性地发电，第一种方式是将电梯的发电用制动电阻白白消耗掉，这是大多数电梯普遍使用的控制方式。
第二种方式是可以向电网反馈电能，但是其对电网的谐波干扰较为严重。
（1）交-直-交变频的电阻能耗制动控制系统在该控制系统中，电梯在运行过程中，在空载上行或者满载下行时电机由需要消耗电能转为发电状态，电机将处于再生发电制动状态。
传动系统中所储存的机械能经电机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中，逆变器处于整流状态，这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升，如果当制动过快时，这部分能量就可能对变频器造成损坏。
在变频器控制中，对再生能量的处理方式是耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的制动电阻中，称之为电阻能耗制动状态。
其工作原理见图1交-直-交变频的电阻能耗制动控制系统所示，电机所发出的电能是经过逆变器后由制动电阻消耗，这时制动电阻温度升高转化为热能。
这种能量的消耗方式是现在流行的方式，对电梯发电没有回收利用，属于能耗较大的电梯控制方式。
电梯产生的再生能量通过制动单元驱动再生电阻消耗，对于低速和小载量的电梯，这种控制方式是可以接受的，但对于高速大载量电梯来说，再生能量是非常巨大（10kW～20kW甚至更大），如果通过电阻消耗，浪费了能源，同时产生大量的发热消耗，影响了环境。
图1交-直-交变频的电阻能耗制动控制系统图
（2）交-直-交变频的能量反馈控制系统该控制系统主要由四部分组成，见图2交-直-交变频的能量反馈控制系统。
左半部分是交直流回路整流器，它由不可控整流桥组成，采用电压源方式控制，中间直流环节用大容量电容构成电压源，右半部分为驱动控制逆变装置。
这三部分构成了电梯的驱动控制系统。
另外，上部分是电梯处于发电状态时向电网反馈能量的一个附加装置－再生能量逆变器。
图2交-直-交变频的能量反馈控制系统图
该控制系统的工作原理是三相交流电源由变频器输入端的不可控整流桥中的6个二极管实现三相全波整流，它对中间直流环节的大容量电容C进行充电后使之构成了直流电压电源，这时，电容C即储存能量又实现滤波功能。
当中间的直流环节电压的升高达到所需额定值时，整流电流将逐步减少直到为零。
图中右边的驱动控制逆变器根据系统的指令，输出电压、频率可调的三相交流电源来驱动及控制曳引电机的运转。
电机在电动状态下工作时，由中间直流部分提供能量来满足驱动控制逆变器在PWM模式控制下对转速与转矩的变化。
这时，系统工作在电梯重载上升及轻载下降的时候，电机处于能耗状态，系统是要消耗电能的。
而在电梯工作的另外一种状态下，即轻载上升及重载下降时电梯势能通过电机转变为再生能量，这时电机是处于发电状态，此时电机的实时转速高于频率给定从而被反向拖动制动运行，其产生的再生电能经逆变器中的续流二极管向中间直流电压源电容C充电并使中间直流环节的电压在额定值以上上升。
由于输入端整流桥二极管的单向导通作用，不可能使中间直流环节由系统所产生的电能向电网侧流动，当电压上升达到设定值时，外接的再生能量逆变器开启工作，迅速将直流电能进行有源逆变，并反向送回供电的电网。
该控制系统的优点是由于中间部分的大电
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