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基于PLC的运动控制系统结构组成与分类
运动控制系统分类
运动控制系统分类方法较多，各种分类方法从不同角度诠释运动控制系统。
(1)按照控制形式分类
运动控制系统按照控制形式分类为开环控制和闭环控制。其中，闭环控制又分为单闭环控制和多闭环控制。
(2)按照执行电动机的类型分类
用直流电动机驱动机械机构的系统为直流传动系统，用交流电动机驱动机械机械机构的系统为交流传动系统。
(3)按照被控物理量分类
以转速为被控量的系统为调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统为随动系统。
(4)按照驱动方式分类
运动控制系统按照驱动方式分为电气控制、液压控制和气动控制。
随着工业生产中机电一体化设备的复杂化和控制性能要求的提高，现代运动系统正朝着高性能、智能化、柔性化、网络化和数字化的方向发展。提高运动控制系统的性能主要从提高电动机制造工艺、优化逆变器硬件组成、选择高精度的检测元件和改进驱动控制策略等几个方面进行，这使运动控制系统具有了高精度、高速度、高效率、高可靠性等能力。
运动控制系统结构组成
运动控制系统种类多样。典型的现代运动控制系统的硬件由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构、传感器反馈检测装置等部分组成。运动控制系统结构组成如图2.8所示。
图2.8中，运动控制器通常由具有运动控制功能的PLC担任，其主要任务是根据上位控制系统的决策命令、预先设定的控制策略、运动控制要求和传感器的反馈信号进行逻辑、数学运算、将分析、计算所得出的控制命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式送到电动机驱动器中，动器进行功率变换后驱动电动机运转，电动机通过传动机构带动机械机构运动，完成期望的机械运动。执行电动机种类和规格型号繁多，常见类型有步进电动机、直流电动机、交流伺服电动机、直线电动机等。
运动控制是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。由于运动控制的动力源多数来自于电动机，因此，运动控制指通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制，实现机械运动的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，使机械机构按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。
现代运动控制技术是机电一体化的核心技术，其涉及电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科。现代工业生产对运动控制系统提出了日益复杂的要求，科学技术的快速发展为研制和生产各类*运动控制装置提供了支撑与保障。现代运动控制系统广泛存在于机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等领域。
电动执行机构是以电能为驱动能源的执行机构，广泛应用于各种工业自动化过程控制系统，它由电动机、电磁执行机构、控制器、减速器、限位机构、转矩保护机构、位置反馈装置、丝杠、蜗轮蜗杆等构件组成。对于电动机，有异步电动机(可靠性高、成本低、成熟可控、效率较低)、永磁交流同步电动机(可靠性高、成本高、效率高)、直流电动机(体积小、成本高、可控性好)、步进电动机(可靠性高、开环控制结构简单且成本低、调速范围宽、没有积累误差、位置控制精度高、起停和反转响应快)、直线电动机(速度范围宽、加速度大、行程不受限制、结构简单、运动平稳)、伺服电动机(闭环控制精度高、高速性能好、抗过载能力强、稳定可靠)等。对于控制器，它接受和输出4~20mA模拟信号和数字信号，实现对于执行机构的自动控制。新近发展的智能化技术还可以实现对执行机构的功能设定、故障自诊断、状态报警和记录、显示和通信功能。对于减速机，有正齿轮传动、蜗轮蜗杆齿轮传动、行星齿轮传动、滚珠丝杠传动等方式。执行机构的辅助部件包含手轮(断电和调试时操作执行机构)、阀位显示(现场显示执行机构阀位情况)、电气及机械限位装置(双重保护，智能型产品采用电流传感器技术来实现限位和转矩保护功能)、转矩保护开关(过转矩时对执行机构的减速机构进行保护)、加热电阻(保持电气盒空间一定的温度，在低温时不会结露，使电气部件受潮)、附加限位开关和转矩开关(提供一些附加的信号点)等。
电动机把电能转化为机械能，从而驱动执行机构动作减速器是将电动机的高转速、小转矩的机械能输出转换为低转速、大转矩的机械能输出。电动执行机构连接上各种阀体，就形成了各种电动调节阀。随着集成电路和数字技术的发展，继电开关和模拟运算放大电路已开始被微型芯片取代，出现了智能型电动执行机构。*的智能型电动执行机构电机普遍采用蜗杆蜗轮减速。
*的电动执行机构有英国Rotork电动执行机构、美国JORDAN电动执行机构、法国的伯纳德、ABB的ONTRAC系列和德国AUMA、SEMENS、SIPOS5电动执行机构等。英国Rotork 公司电动执行机构结构如图2.2所示，德国AUMA公司电动执行机构结构如图2.3所示。
2.电动执行机构按照调节方式分类
1)开关型电动执行机构执行机构接收开关信号控制输出，即使开关复位，输出件继续移动，直到极限位置停止。执行机构除非紧急按停，不能停在中间位置。原理与远控调节型相同，区别是能自动保持开关信号。
2)远控开关型(调节型)电动执行机构执行机构接收开关(继电)信号控制输出位移，开关复位，输出件停止运动。这是一种开环的可间断调节的控制系统。
3)比例调节型电动执行机构执行机构接收系统的控制信号自动实现工业过程调节控制，控制行程与输入信号成正比。这是一种带负反馈的偏差控制系统。
3. 电动执行机构按照结构分类
1)紧凑型将电动机、减速器和控制器集成在一起，也称一体化结构，一般的轻载型执行机构都是这种结构。
2)重载型由多转式执行机构配以不同的减速器构成。其电动机、减速器和控制器封装在不同的壳体内。
4. 电动执行机构选型的关键参数
1)输出转矩(角行程和旋转式)、输出推力(直行程)。输出力(转矩)应大于它所受到的负荷力(转矩)，输出转速应满足调节机构的调节时间。
2)速度角行程为(s)旋转式为(r/min)直行程为(mm/s)。3)行程角行程为90°、120°，旋转式为(r)，直行程为(mm)。4)执行机构的运行模式开关型还是调节型。
5)其他辅助功能控制输入模式，附件开关输出，阀位反馈输出，通信功能，就地手动功能，信号隔离功能。
6)电源单相AC220V/230V三相AC380V/400VDC24V/48V是否需要防爆。7)连接方式及尺寸直联式与连杆连接方式，传动轴的结构与尺寸。
1. 电动执行机构按照位移分类
1)角行程电动执行机构输出转矩和90°转角，用于控制蝶阀、球阀、百叶阀、风门、旋塞阀、挡板阀等。转矩不大于600N·m时，减速器高速级为两级行星齿轮传动，输出级为蜗杆传动。转矩不小于1000N·m时，减速器由多转执行机构减速器配蜗杆减速器组成。
2)直行程电动执行机构输出推力和直线位移，用于单、双座调节阀、套筒阀、高温高压给水阀、减温水调节阀等。减速器由多转执行机构配接丝杠螺母传动装置组成。
3)多转式电动执行机构输出转矩和过360°的转动，用于控制各类闸板阀、截止阀、高温高压阀、减温水阀及需要多圈转动的其他调节阀。减速器高速级为行星齿轮传动，输出轴为交错轴斜齿轮传动。
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