试析机电系统中的数字控制技术

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摘要：在这个以“科技”为主题的现代化机电控制系统中，关键领域的科学技术就取决于数控技术，它集多种高新技术为一体，其中包括了微电子与计算机技术，信息处理与自动检测、控制技术等。它们都具有高精度、高效率的特点，柔性自动化能力强，便于实现制造业的集成化、自动化、智能化。文章通过论述数字控制技术几个方面的新发展与变化，希望能够为机电系统的设计提供一点帮助。

关键词：智能数控；伺服控制；现场总线；DSP；PCC

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）25-0086-03

1　全方位数字闭环的伺服控制技术

以物体的方位、位置、姿式等作为被控量，是数字控制系统中的伺服系统。这种控制系统的根本目的就是按照系统给予的速度以及运动轨迹，任意变化跟踪目标，来实现准确的跟踪与定位的一种技术。它需要保障系统中有充足的能量，才能推动负载输入指令，在规律的运作下，输入与输出的偏差，不得超出规定的范围。伺服系统作为一个高性能、高技术的产品，在一些定位精度与动态响应下，可以提供灵活、准确、快速、方便的驱动，这使得它在较高的机电一体化产品中，得到广泛的应用。其中符合数字化控制模式的数字式伺服系统，非常跟得上数字控制技术的潮流，它在调试方面广受好评，使用起来也非常简单。

最近一段时间，工控机控制技术在大部分的交流伺服系统中都广泛被采用。为了使操作简单易学，提供友好的人机界面给操作员，因而采用工控机与下位机的通信。同时，还采用DSP（专用数字信号处理器）与新型高速微处理器的伺服控制技术，将全方位替代以模拟为电子器件为主的伺服控制技术。使DSP的高速运算能力得到充分发挥，增强调节功能，自动完成整个伺服系统，甚至还可以实时调节系统增益，负载跟踪其中的变化。为了将原来的硬件伺服控制转变为软件伺服控制，实现全方位数字化的闭环伺服控制，提高系统的定位精准度与动态响应的速度，有部分驱动器具备快速傅立叶变换的功能，将设备的机械共振点测算出来，再通过陷波滤波的方式，消除机械共振。以下就是PC运动控制卡的闭环伺服控制系统图。

图1 全数字闭环伺服控制系统组成结构图

2　先进的现代化数字伺服驱动技术

传统的工业控制单元需要向信息化、数字化转变，是因为信息技术的发展。正是由于信息技术与传统驱动技术相结合，才会出现代表它们的数字驱动技术，这将是21世纪伺服驱动领域里的关键技术之一。同时，伺服系统中数字化的交流应用也日趋广泛，客户对伺服驱动技术的要求也越来越高，引起了世界各国的研究兴趣，受到了广泛的关注。

2.1　直线的电机驱动技术

直线电机在原理上与普通电机的原理相似，类型与传统电机相同，都是电机圆柱面的展开。但直线伺服系统采用的电机驱动方式却有所不同，它采用的是一种直线电机驱动方式。相比于传统的旋转方式，取消了电动机到工作台间的全部机械化传动环节，成为了它最大的特点。这种方式把机床进给的传动链长度缩短为0，我们称这种方式为“零传动”。

不久前，我们发现了直线电机及其驱动控制技术的进展，主要表现在以下几个方面：温升下降，体积变小；成本幅度降低；性能逐渐提高；可靠性加强；商品化程度加深；安装与防护简便；品种覆盖面广，可满足不同类型的机床要求；包括数控系统在内的配套技术逐渐完善。

2.2　基于DSP的伺服驱动技术

以数字信号处理大量信息的器件是现今刚出现的一种独特的微型处理器，简称DSP。它具有可编程性，可在实时运行中通过DSP来处理，速度高达每秒上万条的指令，这种电脑芯片在数字化电子世界日趋重要。它最值得我们称赞的两大特色分别是强大的数据处理能力与高速的运行速度。这种处理器现在广泛地运用于社会的各个领域，例如军事、图像处理、医疗、家用电器、语音等。

采用运算放大器、电阻、电容等模拟器件来实现的传统电机控制技术，它所使用的设备体积大、可重复性差、稳定性方面容易受其他因素的影响。而高性能的DSP处理器，它是一种数字式控制器，除了能很好地克服模拟式控制器的所有缺点，它还具备了数字式控制器的特有优点。通过数字化控制，既可以排除模拟电路的非线性误差，又可以调整误差以及温度漂移等带来的影响，还可以大幅度提高伺服系统的性能。同时，为了可以实现先进的控制算法，如矢量、最优、自适应控制等，我们使用DSP处理器，利用它的特性把控制性能进一步提升。下面展示的就是以DSP为核心的数字化控制系统图。

图2 基于DSP的伺服控制系统

2.3　可编程的计算机控制器技术

新型工业的控制装置以计算机技术、自动控制技术、通讯技术为一体，是一种可编程的计算机控制器。早在上个世纪60年代，可编程控制技术就已经诞生。它从最初的编程逻辑控制器到可编程控制器，到今天出现的PCC。相较于传统的PLC，类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多元化的应用软件设计，就是如今PCC的最大特点。它采用了分时多任务机制，构筑应用软件的运行平台，将应用程序的扫描周期与外部的控制周期加以区别，实现实时控制的要求，解决了PLC中控制速度的依赖性问题。PCC可靠性高，能在恶劣的环境下使用，拥有良好的兼容性。它的硬件模块品种多样，使用高级的编程语言，功能函数丰富，各种工业控制的需要都能适应。

2.4　现场总线的控制技术

在生产现场，我们将在检测控制设备之间实现双向、多点、串行的数字通信系统称之为“现场总线”。它是适应实际需要发展起来的一种自动化控制系统，它发展速度快，现处于市场的巅峰阶段。现场总线的控制系统，既是一种利用计算机在开放的局域通信网络产生的工业设备自动化控制的系统，又是一种全分布控制系统。它作为连接网络点的智能设备，成为智能设备的联系纽带，从而进一步地构成了分布式的智能化系统。

2.5　智能数控技术

具有拟人智能特征，能模拟、扩展、延伸智能行为的知识处理活动，我们就称之为“智能化数控系统”。例如，自主学习、自我镇定、自行繁殖、自主规划等。高性能的智能化伺服系统就是研究智能数控系统的技术前提。先进的核心制造技术就是智能数控系统技术，智能数控系统技术影响综合国力的水平，影响国家的战略地位。在广阔的市场竞争中，国内外大型的数控公司都是立志开发新型的、开放式的智能数控系统。而如今，我国在这方面的研究还处在低层次、低水平，实用化与国产化水平较低，还有待进一步研究。

3　结语

由于需要现代化的机电系统，因此，要求提高机电系统的控制力，尤其是对系统中的抗干扰性、适应性、灵活性的要求更高了。信息技术的高速发展，使得现代化控制理论在机电系统中充分得到应用，并做出了强力的保证。

参考文献

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