机电控制技术的任务就是实施对机电系统的控制。而现代机电系统基本上都是由电动机或电控装置提供动力,步进电机和电控装置是现代机电系统的最主要的驱动元件或装置。除了我们最常见的电动机之外,常用的驱动元件或装置还有液压元件、气动元件、电磁铁等。与电动机相比较,对这些元件或装置的控制要相对简单一些,对电动机的控制具有很大的灵活性,当然控制的难易程度也有相当大的差别。正因为如此,对电机的控制是机电控制技术的核心内容。
机电控制技术根据不同的控制对象,不同的控制手段,或者不同的控制目标,具有不同的内涵。从控制目标上来分,机电控制技术可以分为逻辑控制和运动控制。
1)逻辑控制
机电控制的起源是从简单开关控制开始的,当初是通过手动开关直接控制电机的启、停,这样的控制方式称为手动开关控制。后来出现了自动控制器件,如继电器、接触器等,于是就可以实现自动开关控制。自动控制不仅能减轻操作人员的劳动强度、提高工作机械的生产率和产品质量,而且可以实现手动控制难以完成的诸如远距离集中控制等。
然而,简单开关控制不能满足许多机电系统的复杂控制功能要求,往往需要把一些或许多简单开关控制电路结合起来,以达到实现复杂控制的功能要求。这种把简单开关控制电路按照一定的方式或次序组合起来,以实现某控制作用的方式称为逻辑控制。
逻辑控制是以逻辑代数为理论基础的一种控制思想,它遵循一定的规律,可 以有各种实现形式。按照次序实现的逻辑控制称为顺序逻辑控制,在实际应用中有两种典型的形式,一种是以时间为控制条件的时间顺序逻辑控制,另一种是以行程为控制条件的行程顺序逻辑控制。控制过程很有条理性。
值得注意的是,由于逻辑控制可以解决人们生产、生活中的许多控制问题,市场价值巨大。世界上许多大公司投入相当大的精力和财力,开发并推出了逻辑控制产品——可编程逻辑控制器(PI。c),得到了普遍的推广应用。当然今天的PLc已远远超出了逻辑控制的范围,在本书第7章中将专门对其作详细介绍。
2)运动控制
步进电机作为机电系统中的最主要的动力源和执行部件,对其实行开关式的控制是最基本的控制形式,也是最简单的控制形式。许多机电系统对电机的运行速度提出控制的要求,有的系统需要精确控制步进电机旋转的角度位置,虽然在实际应用中更多的是直线位置控制的实例,但其一般都是从步进电机的旋转运动通过机构转换而来,所以其实质还是电机旋转的角度位置控制。于是就出现了速度控制系统、位置控制系统,它们的目的都是对机电系统的机械运动实施控制。所以,运动控制就是以电机及其传动机构为控制对象,通过控制器和驱动装置,对机电系统的速度、加速度(转矩)、位置等运动量进行控制,以满足功能和性能的要求。
因此,运动控制技术是机电控制技术又一核心内容。
随着生产技术的发展,对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高要求,这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好,20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的:由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制;再进一步,用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速;再后来用可控整流和大功率晶体管组成的PwM控制电路实现数字化的直流调速.使系统的快速性、可靠性、经济性不断提高。调速性能的不断提高使直流调速系统应用非常广泛。然而,由于直流电机具有电刷和换向器,制造工艺复杂且成本高-维护麻烦,使用环境受到限制等缺点,并且很难向高转速、高电压、太容量发展,因而逐渐显示出直流调速的弱点。
早就普遍应用于恒速运行场合的交流电机可以弥补直流电机的不足,加之世界范围的能源短缺,人们又开始了新一轮的交流调速的研究。仅对占传动总量三分之一强的风机、水泵设备而言,如果改恒速为调速的话,就可节电30%左右。
近三四十年来.随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展,为交流调速产品的开发创造了有利的条件,使交流调速逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能,并实现了产品的系列化,从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前交流调速系统已占据主导 地位。
当今社会,运动控制系统的应用已相当普及,不论是民用还是军用。在工厂、农村以及大多数家庭中,到处可以看到以电动机为动力的各种生产机械或家用电器。例如,轧钢厂的连轧机,加工车间的切削机床,造纸厂的纸机,纺织厂的纺织机,化工厂的搅拌机和离心机,货场的起重机和传送带,矿山的卷扬机,田间的抽水泵,家庭中的冰箱、空调、洗衣机以及电脑等。运动控制的发展趋势有以下三点:
(1)高频化。在功率驱动装置中,低频的半控器件——晶闸管在中小功率范围将被高频的全控器件——大功率晶体管或IGBT所代替,这样既可以提高系统性能,又可以改善电网的功率因数。
(2)交流化。由于交流电机本身的优势,交流调速取代直流调速已成为一种不可逆转的趋势。随着交流调速系统成本的逐步降低,不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代.而且,大量的原来恒速运行的交流传动系统将改为交流调速系统,原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域,也将采用交流调速系统。
(3)网络化。微处理器的发展,使数字控制器简单而又灵活,同时为联网提供了可能。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高,单机的控制系统越来越少,取而代之的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统,这就需要计算机网络的支持,传动设备及控制作为一个节点连到现场总线或工业控制网上,实现集中的或分散的生产过程实时监控。
另外,借助于数字和网络技术,智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面,如模糊控制、神经网络控制、解耦控制等,各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中,大大地改善了控制系统的性能,为运动控制系统走向复杂的多层网络控制提供了可能。运动控制系统正在由简单的单机控制系统走向多机多种控制过程协调的系统集成阶段。
随着相关技术的发展,机电控制技术将向着智能化、网络化、一体化方向发展。典型的系统如数控加工中心、数控机床、工业机器人、物料自动传输与识别系统等,以及以这些系统为基础而组成的更大更复杂的系统如柔性制造系统、计算机集成制造系统等现代制造系统。