1.1 现代化生产和生活对运动控制的需求

19世纪70年代前后，相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机的运动控制为动力实现自动化的时代，运动控制对社会的发展、生产和生活的现代化进程起到了积极的推进作用。运动控制系统主要包括电动机、电动机控制器、信号检测与传输系统、人机界面等。根据电动机的类型划分，运动控制可分为直流电动机调速、异步电动机变频调速、步进电动机控制、永磁同步电动机伺服控制、无刷直流电动机控制等各种控制类型。根据控制目的划分，运动控制可分为以转速为控制量的调速控制系统、以角位移或直线位移为控制量的位置伺服控制系统，以及张力、多电动机同步控制等各种类型。

运动控制已经广泛应用到军事领域（如火炮、雷达控制）、工业领域（如高精度数控机床、机器人、纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线等）及民用领域（如电梯、电动汽车、轨道交通等）。

在机械加工行业，加工设备已经从普通机床步入到数控机床、加工中心的时代。现代机械加工设备中，使用永磁无刷伺服电动机代替步进电动机做进给运动已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统，在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步电动机变频驱动来提高效率和速度已成为热点。当今数控机床突出高速、高精度、高动态、高刚性的特点，对控制系统的要求包括定位速度和轮廓切削进给速度、定位精度和轮廓切削精度、精加工的表面粗糙度，以及在外界干扰下的稳定性等。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静、动态特性。

纺织印染行业是国民经济的一个重要部分，以前的行业技术进步主要是依靠变频化、PLC化，只有少量纺织印染机械采用了高档伺服技术，用于提高精度和效率。目前高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、圆网印花机、工业缝纫机等设备应用了交流伺服技术。例如，无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子卷取，圆网印花系统中；络丝机是织造前工序的精密工艺设备，络丝机控制系统综合应用了步进、无刷、伺服、运动控制、网络通信等方面的技术，将各种天然丝络成各种规格的柱状、宝塔形、双锥形筒子，用于染色、整经、针织等后道工序，其核心是利用高动态的横动伺服电动机及数字卷绕技术，取代传统的机械传动而实现单锭化和数字化，每锭之间依靠CAN总线联系。可见，纺织印染是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。

无轴（电子轴）传动技术在印刷机上的应用，也是目前全球印刷企业和机械制造商的焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服电动机取代传统的机械传动链，伺服驱动器之间依靠高速现场总线进行联系，通过软件保证各伺服轴对内部的虚拟数字电子轴保持严格同步。无轴传动技术为印刷机的生产制造带来最佳解决方案。

包装设备上，采用数字伺服技术的电子齿轮和电子凸轮将代替传统机械部件，可以提高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量。

新型的电梯曳引机，采用永磁同步伺服电动机做无齿轮直接驱动，取代异步电动机变频驱动，具有更高的控制精度和动态特性，且具有高效率、低噪声的优点，已经成为国际和国内主要电梯厂的热点产品。

图1-1所示为几个典型的运动控制应用案例。其中图（a）所示为采用交流电动机变频调速的电气列车；图（b）所示为采用多台伺服电动机控制协同控制的机器人；图（c）所示为印染机械中的热风拉幅定型机，在织物拉幅之前的对中和探边、热风定型过程中的多单元恒张力控制，以及最后的恒张力卷绕都是采用变频调速控制的。

图1-1 运动控制应用案例

图1-1 运动控制应用案例（续）