最大限度地提高运动控制系统的效率

专家预测，到 2025 年，交通、制造和零售贸易三个行业中 10-15% 的工作岗位将具有很高的自动化潜力。随着越来越多的公司采用自动化流程和技术，工厂和生产线对运动控制系统的需求呈指数级增长。运动控制系统通过在正确的时间以正确的方向将正确的组件移动到正确的位置来确保产品组装成功。

在本指南中，我们将探讨什么是运动控制系统、它们是如何工作的、从中受益的以及如何最大限度地提高它们的效率。

什么是运动控制系统？

运动控制系统产生机械运动。它由电机驱动，设计用于精确的扭矩控制、速度和/或位置。在自动化行业，运动控制系统可以实现机器零件的精确和受控运动。

运动控制系统通常用于需要快速启动和停止运动、协调各个元件以及产品精确定位的情况。

在大多数情况下，运动控制系统使用计算机控制来产生所需的动作并影响力、速度、压力和/或定位。更先进的系统拥有专门的技术来收集关键过程数据和反馈，例如速度或位置，以改进未来的操作。

运动控制系统的基本结构

运动控制系统由三个基本部件组成：运动控制器、电机驱动器或放大器以及电机。

运动控制器

运动控制器是整个系统的大脑。它处理序列执行、伺服闭环和运动路径规划的所有计算要求。它由最终用户控制以完成指导机器功能的命令。运动控制器因轴数、所需分辨率、更新时间和支持的特定通信总线而异。

然后运动控制器向电机驱动器提供模拟或数字低功耗电机指令信号。

电机驱动器或放大器

电机驱动器接收运动控制器的低功率信号，向电机供电。

电机驱动器负责向电机提供适量的电压和电流，从而产生扭矩并使负载运转。

驱动器可以是模拟、数字、步进、线性、变频和伺服类型。每个驱动器都具有独特的功能和能力。每个驱动器都适用于特定的电机，有些更适合特定的应用。

电机

也称为运动控制系统的肌肉，电机将电能转化为机械能，并产生移动到目标位置所需的扭矩。

运动控制系统中的电机根据其使用的电源类型分为直流或交流。

交流电机提供更多的多功能性、可控的加速度、可调节的扭矩限制和更少的电力线干扰。而直流电机则具有较高的启动扭矩，更易于安装和使用。

反馈装置

反馈装置可以在闭环和开环系统中找到。它们将位置、方向或速度信息反馈给运动控制器。然后控制器对电流进行必要的调整以实现目标输出。

运动控制系统广泛用于工业和制造应用。它们常见于以下行业：

• 纺织
• 农业
• 半导体和电子产品
• 印刷和纸张
• 塑料和橡胶
• 石油和天然气
• 金属和机械制造
• 医疗
• 家具和木材
• 食品和饮料
• 能源
• 汽车
• 航空航天和国防

如何提高运动控制系统的效率

1.针对特定应用使用正确的电机

为应用使用合适的电机可以带来更好的输出质量和更高的节能效果。当今运动控制系统中最常用的三种电机是直流（有刷和无刷）电机、步进电机和伺服电机。

有刷直流电机 易于控制，在低速时具有出色的扭矩，相当高效且价格低廉。它们会产生可听噪声和电磁噪声，可能会在系统内造成干扰。此外，有刷直流电机需要经常维护，因为电刷会并且最终会磨损。

常见应用：手机振动器、玩具、手持风扇、无绳电钻、车窗。

无刷直流电机 由于表面之间没有接触，因此比有刷电机更安静。出于同样的原因，它们也更有效。无刷直流电机将提供比具有相同尺寸磁铁的有刷直流电机更多的功率。这些电机的缺点是它们难以控制，并且通常需要特殊的控制器。

常见应用：洗衣机、空调、电脑风扇、磁盘驱动器、无人机

步进电机 用于精确定位和/或速度控制。它们在低速时具有出色的扭矩，非常适合具有高保持扭矩的应用。它们可以通过低成本的微控制器轻松控制。步进电机的缺点是产生的噪音、高速时的扭矩有限以及效率较低。由于它们不断汲取能量，因此它们往往会变热。

常见应用：安全摄像头、汽车后视镜倾斜、打印机

伺服电机 在超过 2000 rpm 的速度下具有出色的扭矩。通过闭环反馈，它们具有最高的定位精度。大多数高级运动控制应用都需要它们。伺服电机可能的缺点是成本和试图保持位置的潜在抖动。

常见应用：3D打印、CNC、包装、笛卡尔系统

2。使用适当和高效的速度驱动器

今天的制造商寻求更高的机器和整体性能效率，以保持竞争优势并满足不断变化的客户需求。

在设计和生产阶段，最新一代的变频驱动器 (VFD) 在提高运营效率方面发挥着关键作用。 VFD 有助于将电机的速度与被驱动机械的所需速度保持一致。它们还专为降低噪音、更柔和的启动和减少维护而设计。

3.选择合适的可编程逻辑控制器 (PLC)

PLC 是各行各业流行的自动化工具，因为它们易于使用并提供精确和可修改的控制。

选择 PLC 时，定义应用要求很重要，包括控制基础和未来的可扩展性。其他需要考虑的重要因素包括：

• I/O 的数量和类型
• 必要的控制功能
• 数据收集和特殊功能要求
• 通讯选项
• 工厂人员的自动化经验和能力

虽然一些工厂人员精通自动化，但其他人对新技术几乎没有经验。值得庆幸的是，市场上有各种专为初学者设计的 PLC。虽然这些控制器通常小巧简单，但其设计目的是易于扩展，并具有大型 PLC 中的许多功能。

4.仅使用适当的组件

运动控制系统由各种机械部件组成，例如皮带和轴承。每个组件都会影响整个系统的整体性能。这就是为什么从设计阶段一直到安装，所有部件都必须经过一致的审查和测试。

5.安排定期维护

所有组件都会经历正常磨损，这可能会导致系统效率降低。有计划的预防性维护消除了因故障造成的代价高昂的停机时间。它还延长了运动控制系统的使用寿命，防止大修和过早更换机器。

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在动力、生产力和运动精度至关重要的生产线中，拥有正确的运动控制系统可以决定成败。

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