[科普中国]-定位控制系统

简介

定位控制是指当控制器按照控制要求发出控制指令，将被控对象的位置按指定速度完成指定方向上的指定位移，即在一定时间内稳定停止在预定的目标点处。定位控制是运动量控制的一种，又称位置控制、点位控制。定位控制系统即实现定位控制的系统。1

目前定位控制技术的发展过程中，定位控制方式的改善提高是以检测技术的提高而提高的，从而定位控制算法成为定位控制技术的关键，是高精度定位的关键基础。

控制方法PLC控制工业上的 PLC 和变频控制结合的控制方法，应用较早，主要通过编码器采集位置信号，控制器将采集的位置信号与设定的位置进行比较，通过变频器控制电动机的转速，从而实现预设的位置的准确定位。PLC 和伺服控制的控制方法除了有速度控制环之外，还有电流环、位置环，运行效率、定位精度进一步提高。

嵌入式以嵌入式为基础的FPGA 主控制器的定位控制，是在芯片上进行编写程序，实现对电机的正反转、调速及定位控制。专用控制软件的定位控制，是在 Visual Studio.NET 等软件工具平台上编写上位机管理软件，其中包括相应的控制程序。运动控制卡或PLC作为下位机，交流伺服系统作为运动控制的执行部件，组成了开放式的定位控制系统。该控制系统开发周期短、精度高、开放性好、人机界面友好。2

发展及现状国外发展近年来，计算机技术己渗透到各个学科领域，有力地推动着定位控制技术的发展， 目前，美国、同本、德国、韩国等国家的定位控制技术较领先，它们也相继推出了一系列定位控制器。如美国的GALIL公司，自1983年成立之日起，专门致力于精密运动控制器的开发。现己被世界公认为运动控制领域的先驱及领导者。它开发的运动控制器采用32位微处理器，可以实现多种运动控制方式，定位精度可达±0.01mm，控制轴数可以实现1～8轴任选。同本在这方面技术也是领先的，如它们开发的DS-S(Slider type)型定位控制器，采用交流伺服电机，在保证最高速度330mm/sec下，重复定位精度可达±0.02mm。德国的费斯托(FESTO)公司也推出了它们的定位控制器，可以实现多轴、多点精确定位控制。另外，韩国inCOM技术公司通用定位控制器Robo系列也是目前性能较好的定位控制器之一。

国内发展目前国内许多单位都在从事定位控制方面的研究工作，并取得了阶段性的成果。但是，对于高速、高精度伺服定位控制技术方面，较国外还有较大的差距。推出的一些定位控制器，模拟伺服系统较多，且体系结构不够开放，用户接口不够完善，部分还只是停留在专用性上，不适合批量生产。从目前看，我国虽然拥有巨大市场潜力，但致力于这方面研究的人员却较少，且全数字伺服系统总体上还处于研发初期阶段。

定位控制系统的结构分析开环位置伺服系统开环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统。它的伺服机构按照指令装置发来的位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位移量或转角进行检测，从而也无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只能靠执行机构本身的转动精度来保证。

半闭环位置控制系统与开环位置伺服系统不同，半闭环位置控制系统是具有位置检测反馈的闭环控制系统。它的位置检测器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测出电动机轴旋转的角位移，进而推知当前执行机械(如工作台)的实际位移。由于位置检测器不是直接装在执行机械上，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以称之为半闭环，它只能间接地检知当前的位置信息，且也难以随时修正或消除因电动机轴与传动链误差引起的位置误差。半闭环位置伺服系统一般采用伺服电动机(交流伺服电动机或直流电动机)作为执行电动机。伺服电动机与普通电动机相比，具有调速范围宽和短时输出力矩大的特点，这样，系统设计时不必再为保证低速性能和增大力矩添置减速齿轮，而可将电动机轴与丝杠直接相连，使传动链误差与非线性误差大大减小。另外，系统还可以采用节距误差补偿与间隙补偿的方法来提高控制精度。存只强调重复定位精度的场合，工作台的误差也可以得到解决。

全闭环位置控制系统它将位置检测器直接安装在工作台从而可以获得在工作台实际移动的精确信息，通过反馈闭环实现高精度的位置控制。从理论上说，这是一种最理想的位置伺服控制方案。但是，在实际的系统中却很少采用，主要是因为当时采用全闭环时，工作台本身的机减传动链也被包含在位置闭环中，伺服的电气自动控制部分和执行机械不再相对独立，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚度等都将影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，工作台上的负载变化也会对系统产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由于工作台被包含在位置闭环内，位置控制器的设计就得考虑这部分机械的传输特性。工作台不同，机械的传输特性也有差异，这就给全闭上不位置伺服系统的通用性设计带来困难，也不利于降低成本。

混合闭环位置伺服系统人们指出一种混合结构的位置伺服系统方案。系统中同时存在半闭环和全闭环。系统工作时，半闭环起主要控制作用。由于半闭环中电气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用较高的位置增益，使系统易整定、响应快、跟踪误差小；而全闭环只用于稳态误差补偿，位置增益可选得较低以保证系统的稳定性。两者相结合可最后获得较高的位置控制精度和跟踪速度。由于系统中同时存在两个闭环，使系统的控制复杂程度大大增加，它们之间的配合、增益调整等都必须仔细整定，位置伺服系统也因之不再具有通用性。3

意义及应用定位控制技术是适应现代高科技需要而发展起来的先进控制技术，是高科技产品开发过程中不可或缺的关键手段，它应用现代电子、传感技术及计算机等高新技术，并综合应用了机械技术发展的新成果，不管是在民用工业，还是在国民经济建设中都有着极其广泛的应用前景。如机床定位、精密医疗器械、计算机硬盘定位系统、纺织、自动贴片等。现阶段，作为定位控制领域中一个关键性技术难题．高精度定位，引起了各个国家的高度重视。定位控制技术作为现代高科技的重要组成部分．又推动着自动化生产、计算机、材料加工、医疗、纺织等相关领域的发展。因此，定位控制技术已成为国家科学技术的重要组成部分，它也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。