點位控制系統

點位控制系統是一種位置伺服系統，是綜合套用了電子技術，計算機技術，自動控制與檢測各個學科，使被控端按給定的軌跡和速度到達目的地的控制系統。點位控制系統一般包括最終機械執行機構，機械傳動機構，動力部件，控制器，位置測量器等，機械執行機構是最終完成功能要求的動作部件，如焊接機器人的機械手，數控加工工具機的工作檯等，廣義的講執行機構還包括導軌等運動支撐部件，這些部件對定位精度也是起關鍵作用的。點位控制在機電一體化領域和機器人行業有及其廣泛的套用，現在機械製造業中的數控工具機對零件輪廓的跟蹤，工業機器人的指端軌跡控制和行走機器人的路徑跟蹤等都是點位控制系統的典型套用。

基本介紹

• 中文名：點位控制系統
• 外文名：Point to Point Controlled System
• 學科：電子技術、計算機技術、自動控制
• 套用：機電一體化、機器人
• 指標：定位精度、定位時間

研究意義

點位控制在機電一體化領域和機器人行業有及其廣泛的套用，現在機械製造業中的數控工具機對零件輪廓的跟蹤，工業機器人的指端軌跡控制和行走機器人的路徑跟蹤等都是點位控制系統的典型套用。近年來，隨著科學技術的發展，晶元加工設備，醫療手術機器人的使用等，點位控制就是其關鍵技術，具有創新性意義和非常高的實用價值。

分類

點位控制系統實際上也是一種位置伺服系統，它們的基本結構與組成基本上是相同的，只不過側重點不同而已，它們的控制複雜程度也各有千秋。一般來講位置伺服系統強調穩定性，快速無超調，跟隨誤差小，調速範圍寬，高精度高動態特性等，點位控制系統要求高的定位精度和定位時間等，對於有軌跡要求的點位控制系統幾乎包括位置伺服系統的所有要求。

點位控制系統按反饋方式來分，可以分為閉環系統，半閉環系統於開環系統。

閉環控制系統

閉環控制系統將位置檢測器安裝在最終輸出軸上(或者平台)，因此可以獲得最終端的精確位置信息，通過閉環反饋實現高精度的定位。如果機械傳動系統的剛度較大或者慣量非常小，也就是機械傳動系統的固有頻率遠大於電機系統的固有頻率，則定位系統的頻率特性就取決於速度環的頻率特性，則定位系統可以化簡為二階系統。

對於不同特性和要求的定位系統，應使用不同的情況進行簡化，以減少設計的複雜性。從理論上來講，閉環系統的思想方法是最理想的，它不僅可以消除電氣控制系統的誤差，而且可以消除傳動鏈的各種誤差。但是這種控制思想實現起來是有困難的，主要是電氣與機械的禍合中出現很多非線性因素，比如傳動間隙，摩擦特性的非線性，傳動剛度不固定等，致使系統出現共振，爬行等不穩定因素以及其它一些未知因素，另外負載變化也會對系統的摩擦特性，機械慣量等產生影響，給系統的整定造成困難。目前僅有少數高精度坐標鏜床，超精度車床，超精度銑床套用閉環控制，一般定位精度可達 。

半閉環控制系統

半閉環系統的特點是並沒有把機械傳動系統包括在環內，其位置測量元件一般安裝電動機的端軸。半閉環系統套用廣泛，一般說的閉環系統往往指的就是這種系統。其反饋環節並沒有把機械傳動系統包括在裡面，這樣避免了很多非線性因素的引入，系統容易實現，但是它不能補償環外傳動系統的傳動誤差，也不能補償間隙誤差等因素，因此控制精度也相應降低。為了提高控制精度，也可以採取一定的補償措施，比如事先計算出傳動誤差和反轉間隙等因素，在控制系統中加進這些誤差以提高精度，但是傳動誤差，反轉間隙等會隨著摩擦，安裝位置，剛度的變化而變化，另外溫度，潤滑，負載等變化也會隨著發生變化，因此提高精度能力有限。

開環控制系統

這種控制系統是比較原始的系統，由於其控制方法簡單，系統成本低，技術成熟，因此引用也非常廣泛。這種系統的特點是沒有位置檢測裝置，精度的實現靠控制器，執行電機與傳動系統的性能來保證，最典型的系統就是採用步進電機的位置伺服系統。

這類系統在定位要求相對較高的情況下，往往採用單向運行方式，以克服反轉間隙的影響，或者要求反轉的情況下可以採用各種齒輪傳動的消隙裝置，但是都有一定的局限性，比如增加結構複雜性，本身調整比較困難，大多數消隙裝置不能消除變隙回差，另外還增加摩擦，加快磨損等不利影響。對有些負載較大，慣量較大而又有很大的加減速時，傳動鏈的剛度會對定位精度產生很大影響，考慮傳動鏈剛度和阻尼的情況下，傳動鏈一般為一個或者近似的二階振盪環節。對於這樣的傳動鏈，無論是電機啟動或者停止時的衝擊還是電機恆值(階躍函式)輸入，都會引起一定振盪現象，因此必須小心處理。

動力裝置

步進電機

步進電機是一種用電脈衝信號進行控制，並將電脈衝信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電機。它可以看作是一種特殊運動方式的同步電機。它由專用驅動器將數字脈衝輸入轉換為模擬輸出運動，輸入一個脈衝，步進電機就移動一步，它是步進式運動的，稱為步進電動機。

步進電機是受脈衝信號控制，因此它適合於作為數字控制系統的伺服元件，它的直線位移量或角位移量與電脈衝成正比，所以電機的線速度或轉速也與脈衝頻率成正比，通過改變脈衝頻率的高低就可以在很大的範圍內調節電機的轉速，並能快速啟動，制動和反轉。

控制步進電機的脈衝信號要經過放大才能使電機運行，這就是步進電機驅動器，它是步進電機系統的重要組成部分，是不可缺少的部分。控制器產生的電脈衝信號，經過脈衝分配器按照一定的順序加到步進電機的各相繞組上，為使電機輸出一定的功率，環形分配器出來的脈衝還要經過功率放大器放大。

直流伺服電機

目前套用廣泛的主要是20世紀70年代研製成功的大慣量寬調速的直流伺服電動機，這種電機分為電勵磁和永磁體勵磁兩種，但占主導地位是是永磁體勵磁式的直流電機，即永磁式直流伺服電機。直流伺服電動機的固有缺陷是在結構上存在容易磨損的機械摩擦部件一一電刷，因而使用上受到諸多限制。目前交流伺服電動機由於其自身的各種優點使的其迅速發展，直流伺服電動機的套用受到限制。

交流伺服電機

交流伺服系統由交流伺服電動機和伺服驅動器兩部分組成，電動機主體是永磁同步型或者籠型交流電動機，驅動器通常採用電流形脈寬調製(PWM)逆變器和具有電流環的內環，速度環為外環的多環閉環系統，外特性和直流伺服系統相似，以足夠寬的調速範圍和四象限工作能力來保證它在伺服控制系統的套用。交流伺服電動機主要分為同步型交流伺服電動機和異步型交流伺服電動機，由於異步型實現定位控制非常複雜，容量小時效率低，停電時需要設法保持制動，有溫度變化特性等原因，在交流伺服系統中套用最多的是永磁同步電動機，它具有體積小，重量輕，大轉矩，無需維護，高功率密度，控制裝置相對簡單等特點而受到廣泛的套用。同步交流伺服電動機的轉子形狀與普通電機相同，但它的轉子使用強抗退磁的永久磁體構成，以此來形成勵磁磁通。

交流伺服系統組成的點位控制系統一般採用半閉環方式，這種系統目前套用最為廣泛，市場上也可以買到各種規格的伺服電機和驅動器，控制性能優良，定位精度較高。但是這種系統相對於步進電機組成的開環系統來說，價格較貴。