運動控制（Motion Control）是在電驅動技術研究的基礎上，隨著科學技術的發展而形成的一門綜合性多學科的交叉技術。在當今自動化技術中，運動控制代表著用途最廣而又最復雜的任務。運動控制系統的發展可以實現驅動控制功能的多樣化和復雜性，從而滿足新的生產要求，同時運動控制系統的發展將帶來生產的靈活性，產品質量的提高和設備成本降低。要實現驅動控制功能的多樣化和復雜性，使得運動控制系統具有高速度、高精度、高效率和高可靠性四位一體的高性能控制，伺服控制是基礎和關鍵的技術之一。文章中通過多伺服控制模式使得運動控制系統能夠實現高性能的運動控制和多樣化的運動功能。實現了坐標平臺的精確往返運動控制和滾筒的連續勻速旋轉運動控制。 位置/速度伺服控制模式 在某些傳動領域內，既需要對某些被控對象實現高精度的位置控制，同時又需要對其它被控對象實現各種不同的運動控制功能。單一的伺服控制模式，無論是位置伺服控制、速度伺服控制還是轉矩伺服控制往往都很難實現。實現對被控對象的高精度位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執行機構。以永磁同步電機及其伺服驅動器為執行部件的交流伺服系統能以較低的成本獲取極高的位置控制，同時永磁同步電機及其驅動器具有位置伺服控制、速度伺服控制和轉矩伺服控制等多種伺服控制模式，可以很好地實現對各種被控對象的不同運動控制要求。 在位置伺服控制模式下，通過輸入的脈沖數來使電機定位運行，電機轉速與脈沖頻率相關，電機轉動的角度與脈沖個數相關。伺服驅動器接收上位數控裝置發出的位置指令信號（脈沖/方向），送入脈沖列形態，經電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數器中與反饋脈沖信號比較后形成位置偏差信號。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號（與位置檢測裝置相同）比較后的偏差信號經速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換后，由SPWM輸出轉矩電流，控制交流伺服電機的運行。為了提高位置伺服控制模式時實時自動增益調整的精度，驅動器中增加了適配增益功能，其作用就相當于自動加入一個增益，使穩定（停止到位）時間最短。 在速度伺服控制模式下，直接通過電位器調整輸入伺服電機驅動器的直流電壓（模擬量速度指令）來調節電機速度。實現速度在0～3000r/min之間可調，并且電機可以在該速度范圍內以一恒定的速度持續運行。伺服驅動器采用負載模型以估測電機轉速從而提高響應性能，并減弱停止后的振動，即時的速度觀測器就是用來提高速度檢測精度的。 以伺服電機及其驅動器作為執行部件，把位置伺服控制模式和速度伺服控制模式結合起來實現的運動控制系統，既能達到系統高精度、高速度、響應快、調速范圍寬、低速高轉矩的高性能控制，又能實現在同一個系統中對多種被控對象、多種控制功能分布式控制。 位置/速度伺服控制模式的應用 在某過程實驗中，需要對4個單坐標平臺實現精確的往返運動，同時對另外4個滾筒實現連續勻速的旋轉運動。如果采用單一的伺服控制模式很難實現，即便實現起來也需要增加硬件設備，從而增加成本。因此，考慮對整個系統實現多伺服控制模式的方案，同時采用位置伺服控制模式和速度伺服控制模式。對控制單坐標平臺往返運動的電機采用位置伺服控制模式，而對控制滾筒作連續勻速旋轉運動的電機采用速度伺服控制模式。 系統的組成 該系統基于位置/速度多伺服控制模式，控制硬件主要是由PC機、運動控制卡（德國MOVTEC公司的DEC4T運動控制卡）、帶伺服驅動器的永磁同步伺服電機。采用位置伺服控制模式的電機，通過運動控制卡內部對信號處理運算以后給伺服驅動器發出一定頻率的脈沖和方向指令，伺服驅動器對運動控制板卡發來的信號經過PID等控制運算后輸出電壓信號，產生力矩使電機按照指令運轉。伺服運動控制卡DEC4T是基于PC機的專用模擬運動控制卡，與PC機的ASI擴展插槽相連接，控制軸數為1～4軸，最多可以控制4軸4聯動。因此，系統中可以通過控制電機運轉，同時控制4個單坐標平臺的往返運動。圖1所示是位置伺服控制模式伺服驅動原理圖。 對采用速度伺服控制模式的電機，通過電位器調節給定的輸入直流電壓（模擬量速度指令）來調節電機速度。通過驅動器參數的調整來消除包括控制器在內的外部模擬速度指令系統的漂移。 系統參數分析 用于位置伺服控制模式和速度伺服控制模式的伺服電機及驅動器都選用松下MINSAA系列。其主要參數:額定輸出400W，額定轉速3000r/min，增量式編碼器分辨率10000（單位:脈沖pulse），單坐標平臺用的滾珠絲杠螺距5mm。為了確定位置伺服控制模式下電機的脈沖當量δp，即每一個電脈沖負載產生的直線位移量，必須先設定驅動器的參數:Pr46（第1指令脈沖分倍頻分子）、Pr4A（指令脈沖分倍頻分子倍率）、pr4B（指令脈沖分倍頻分母），該系統中設定Pr46=10000、Pr4A=3、Pr4B=10000。增量式編碼器分辨率10000記作F（單位:脈沖pulse），而電機每轉一圈所需脈沖數是f（單位:脈沖pulse），那么指令脈沖分倍頻的分子Pr46 、分子倍率Pr4A 和分母Pr4B 必須滿足： 因此，電機每轉一圈所需脈沖數f是f=1250pulse，可以得出脈沖當量δp=0.004mm/p。在速度伺服控制模式下的電機，在驅動器中參數Pr02（控制模式選擇）設置為1（速度控制模式），Pr07（速度監視器選擇）根據6V/額定轉速可得，速度指令的方向和比例根據參數設定可調，本系統中對控制滾筒旋轉的伺服電機參數選擇出廠默認值。通過逐漸增加Pr11（第1速度環增益）值，使電機不產生異常響聲和振動;逐漸減小Pr12（第1速度環積分時間常數）使超調/失調減低到可以接受的程度。速度指令的漂移通過調整參數Pr52，使得速度指令輸入為0V時，電機不轉動。 本系統中需要對位置伺服控制模式下的電機運行時間進行設定。系統中單坐標平臺的絲杠行程為200mm，運行時速度設定為50mm/s，加速度設為200mm/s2，從而可以得出，加/減速時間各為0.25s，加/減速運行的距離為25mm;以50mm/s勻速運行距離為150mm，時間為3s。因此，電機往返運行一次需要7s。如果要設定電機運行的時間，可以通過在控制程序中設定執行運行次數來控制時間。 結語 永磁同步伺服電機的效率和功率因數都比較高，而且體積較同容量的異步電機小，具有很好的控制性能。本系統中，利用永磁同步電機的位置/速度伺服控制模式，提出全新的控制概念，集速度控制，位置控制為一體，實現了運動控制系統功能的多樣化和復雜性，同時滿足了系統的高速度、高精度、高效率和高可靠性四位一體的高性能控制要求。該系統設計設計簡單，緊湊，性能可靠;在控制精度，功能和抗干擾能力上都有很大的優勢;系統軟件結構的合理設計也保證了系統的實時性和穩定性。該系統為各種機電一體化設備提供最佳解決方案，不僅在運動控制領域，在化工、材料、生物工程等過程控制領域中也同樣有良好的應用前景。