工业控制与自动化领域中，浅析运动控制系统

运动控制是工业控制领域的核心之一，在印刷，包装，装配等工业场景中发挥着巨大作用。运动控制最早起源于电机控制，电机控制的任务是控制单个电机转矩，转速，位置等参数，使电机完成规定的动作。而运动控制是在电机控制的基础上实现了对多个电机控制，运动控制系统自动协调多个电机完成指定的运动。复杂精密运动控制系统的应用在大大降低生产成本的同时也减少了加工中误操作的发生，提高了产品质量。如今工业生产自动化技术飞速发展，多种多样的运动控制系统被广泛应用于物流行业与大型装配生产线。

频繁出现在我们视野中的机械臂就是运动控制系统助力工业生产最关键的一环，目前世界上最先进的机械臂拥有7个无齿轮关节，每个电机驱动一个关节运动。机械臂正常运行时，运动控制系统同时协调7个电机，机械臂便可以轻松抓取空间内任何一个位置的物体。不仅如此它还能实现其他复杂的功能，它甚至帮助人们打扫卫生或是弹奏乐器。

前几年，在网络上大火的扫地机器人就是运动控制的一个缩影。扫地机器人制定好运动路线，运动控制系统便会驱动电机执行不同的动作，使扫地机器人高效完成任务。在工厂中，机械臂被广泛应用于装配生产线，在汽车制造流水线上，机械臂可以轻松举起几十公斤甚至上百公斤的零件完成焊接和组装。我们可以看到，运动控制系统不仅应用于工业中，在最贴近我们的生活中也不难发现它们的身影。

要想了解运动控制系统，需要重点了解的就是运动命令的执行者们——电机。应用于运动控制系统的电机大多为步进电机和伺服电机，下面小编就为大家简单介绍一下两种电机。

1 步进电机

步进电机可以把输入的脉冲信号转变为角位移，在步进电机正常运作的情况下，电机的转速，位置，加减速度只取决于脉冲信号的频率和个数，而不受负载变化的影响。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。称之为“步距角“它的旋转是一步步地进行，每步转动一个步距角，步进电机的名字就是因此而来。

2 伺服电机

伺服电机把收到的电信号转换成电机轴上的角位移输出，伺服电机驱动器控制三相电形成电磁场，转子在磁场的作用下转动。伺服电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

两种电机的比较

1 控制方式不同

步进电机采用开环控制，伺服电机采用闭环控制，两种控制方法的不同在于闭环控制会比较目标值与实际值，调整电机位置，相比之下伺服电机的控制精度要优于步进电机。

2 控制精度不同

步进电机的相数越多，它的精度就越高。2相电机成本低，但在低速时震动较大，高速时力矩下降快，5相电机则震动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，甚至可在某些场合取代伺服电机。伺服电机自带编码器，编码器的刻度越多，精度越高。一般情况下伺服电机的精度相当于步距角为0.036度的步进电机，当然并没有这么小步距角的步进电机，一般步进电机的步距角为1.8，上边仅仅是打个比方，由此可见，在实现高精度运动控制时，伺服电机的性能远远超越步进电机。

3 低频特性不同

不同于伺服电机，虽然在低速时步进电机会采用阻尼技术或细分技术克服低速震动现象。步进电机在低速时仍极易出现震动现象，而伺服电机不管在高速还是低速时都不会出现震动现象。

4 运动性能不同

步进电机为开环控制，启动频率过高或负载过大容易造成丢步现象，停转时转速过高易出现过冲现象，伺服电机为闭环控制，伺服驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成速度环和位置环，一般不会出现丢步或过冲现象。

5 速度相应不同

步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而伺服电机一般只需要几毫秒，可用于要求快速起停的控制场合。

从上边的比较来看，伺服电机在许多性能方面都优于步进电机，那是不是我们在选电机型号的时候全选伺服电机就行了呢？并不是这样的，伺服电机的价格会远高于步进电机，步进电机则会在性价比方面完胜伺服电机，在掌握两种电机的特性后，根据不同需要，选择合适类型的电动机尤为重要。

运动控制系统并不只是由电机和驱动器构成，相比它们更为重要的是控制，协调多个电机运动的控制方案或算法。像是有这样一个运动系统，由两个电机带动的转盘上缠满了胶卷，为实现胶卷能在不断裂的情况下，以设定的胶卷缠绕速度，从一个转盘放卷然后收卷到另一个转盘。在胶卷缠绕的过程中，两个转盘的卷径会不断变化，为保证胶卷不断裂并且符合规定的胶卷缠绕速度，需要不断调整两电机的转速，这就需要用到PID算法，做闭环控制，让被控对象：张力的反馈值影响电机的转速。如此一来，依靠伺服电机响应快的性能，当张力过大时降低转速，当张力过小时加快转速。在不断的调整下，胶卷的张力和缠绕速度达到要求。

除PID算法之外，在6自由度甚至7自由度的机械臂控制系统也会用到运动差补算法确保机械臂运转到指定位置。运动控制系统方案的好坏决定了系统是否安全可靠，是否效率很高。拥有优秀的方案设计能力，会使我们自己也更具竞争力。

审核编辑 黄昊宇