現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)及其應用

圖1 典型運動控制系統(tǒng)組成

　　運動控制器是以中央邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號敏感元件、以電機或動力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置。其功能在于提供整個伺服系統(tǒng)的閉路控制，如位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等。

　　運動控制器的分類

　　目前市場上的運動控制器根據(jù)不同的方法有不同的分類。

　　按被控對象分類：

　　根據(jù)應用場合被控對象的不同可分為步進電機運動控制器、伺服電機運動控制器和既可以對步進電機進行控制又可以對交流伺服電機進行控制的運動控制器。

　　按結構進行分類：

　　基于計算機標準總線的運動控制器

　　基于總線的運動控制器是利用計算機硬件和操作系統(tǒng)，并結合用戶開發(fā)的運動控制應用程序來實現(xiàn)的，具有高速的數(shù)據(jù)處理能力?？偩€形式上主要有isa接口、pci接口、vme接口、rs232接口和usb接口等。這種運動控制器大都采用dsp或微機芯片作為cpu，可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動、外部i/o之間的標準化通用接口功能，同時隨控制器還提供功能強大的運動控制軟件庫：c語言運動函數(shù)庫、windows dll動態(tài)鏈接庫等，可供用戶根據(jù)不同的需求，在dos或windows等平臺下自行開發(fā)應用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。

　　例如美國deltatau公司的pmac多軸運動控制器，采用motorola公司的高性能數(shù)字信號處理器dsp5600x作為cpu，可以最多同時控制8根軸，與各種類型的主機、放大器、電機和傳感器一起完成各種功能。英國阿沃德公司的trio運動控制卡、固高科技(深圳)有限公司的gt系列運動控制器產(chǎn)品和美國ni公司的ni系列運動控制器等都是這類產(chǎn)品。

　　從用戶使用的角度來看，這些基于pc機的運動控制器之間的差異主要是硬件接口(輸入/輸出信號的種類、性能)和軟件接口(運動控制函數(shù)庫的功能函數(shù))。

　　soft型開放式運動控制器

　　基于soft型開放式運動控制器[3>提供給用戶很大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部i/o之間的標準化通用接口，如同計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、cdrom和相應的驅(qū)動程序一樣。用戶可以在windows平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運動控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控制功能，構成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。

　　這種控制器的典型產(chǎn)品有美國mdsi公司的open cnc、德國pa(power automation)公司的pa8000nt，美國soft servo公司的基于網(wǎng)絡的運動控制器和國內(nèi)的固高科技有限公司的go系列運動控制器產(chǎn)品等。soft型開放式運動控制的特點是開發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個性化的開發(fā)平臺。此類產(chǎn)品的價格國內(nèi)產(chǎn)品普遍要低于國外產(chǎn)品，但在技術性能上也存在一定差距。

　　嵌入式結構的運動控制器

　　這類運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通信依然是靠計算機總線，實質(zhì)上是基于總線結構的運動控制器的一種變種。在使用中，采用如工業(yè)以太網(wǎng)、rs485、sercos、profibus等現(xiàn)場網(wǎng)絡通信接口聯(lián)接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過internet進行遠程診斷，例如美國adept公司的smartcontroller，固高科技公司的gu嵌入式運動控制平臺系列產(chǎn)品等。

　　運動控制器應用場合的控制形式有：

　　點位運動控制

　　即僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即運動軌跡無關。相應的運動控制器要求具有快速的定位速度，在運動的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。在加速運動時，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設定速度，往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度，在減速的末段采用s 曲線減速的控制策略。為了防止系統(tǒng)到位后震動，規(guī)劃到位后，又會適當減小系統(tǒng)的增益。所以，點位運動控制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。

　　連續(xù)軌跡運動控制

　　該控制又稱為輪廓控制，主要應用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運動輪廓控制。相應的運動控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運動的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定。對小線段加工時，有多段程序預處理功能。

　　同步運動控制

　　是指多個軸之間的運動協(xié)調(diào)控制，可以是多個軸在運動全程中進行同步，也可以是在運動過程中的局部有速度同步，主要應用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。工業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)。相應的運動控制器的控制算法常采用自適應前饋控制，通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，保證系統(tǒng)的同步控制。

　　運動控制器的應用舉例

　　開放式運動控制系統(tǒng)的硬件結構

圖2　二軸運動控制系統(tǒng)結構圖

　　如圖2所示，整個系統(tǒng)以基于“pc機+運動控制器”為核心，采用ni公司ni7340系列運動控制器ni7342、telemecanique驅(qū)動器和交流伺服電動機構成一個開放式硬件結構。在該伺服控制系統(tǒng)中，控制器上專用cpu與pc機cpu構成主從式雙cpu控制模式。pc機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作，例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送和外部信號i/o的監(jiān)控等。運動控制器配備內(nèi)容豐富、功能強大的運動函數(shù)庫，供用戶使用完成電動機的運動規(guī)劃。系統(tǒng)采取模擬量輸出的位置控制方式，圖2中，模擬信號的大小控制電機的速度，信號的正負控制電機正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)二軸的位置控制。x軸和y軸原點、限位檢測是通過一組機械來實現(xiàn)，原點檢測開關作為每個軸的零點位置，限位檢測開關確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號送入運動控制卡狀態(tài)寄存器后由cpu隨時讀出，達到對i/o狀態(tài)信號的檢測。在硬件上，運動控制器上的光電隔離措施既隔離了外設對內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的干擾，有能有效防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對計算機系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

　　運動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)

　　運動控制器同時還配備有運動函數(shù)庫，函數(shù)庫為單軸及多軸的步進或伺服控制提供了許多運動函數(shù)，如單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動以及多軸同步運動等等?；趎i7342運動控制器組成的控制系統(tǒng)，可采用labview、vb、vc多種語言開發(fā)用戶自己的應用程序。由于labview本身同為ni公司產(chǎn)品，利用它開發(fā)是最支持也是最方便的。作為一種圖形化編程語言，它和其他高級語言一樣，提供各種循環(huán)和結構，以虛擬儀器vi (virtual instrument)的形式代替其他語言的函數(shù)功能，ni專門為用戶提供了運動控制的vi-ni-motion，用戶利用labview技術編寫圖形程序可以方便的實現(xiàn)調(diào)用，同時也便于設計友好的人機界面，便于人機交互和管理。系統(tǒng)的程序結構模塊如圖3所示，除了主體的運動控制程序外，還包括初始化、與pc實時數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)保護、狀態(tài)監(jiān)測等部分。labview內(nèi)置了便于應用tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數(shù)。利用它還可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

　　正是由于運動控制卡的開放式結構，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進行二次開發(fā)的設計周期縮短了，開發(fā)手段增多了，針對不同的數(shù)控設備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢得以被充分利用。

圖3　二軸系統(tǒng)軟件模塊

　　運動控制器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　運動控制技術的發(fā)展是制造自動化前進的旋律，是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關鍵技術。運動控制器采用了開放式結構，使用簡便，功能豐富，可靠性高。若采用pc機的pci總線方式，卡上無需進行任何跳線設置，所有資源自動配置，并且所有的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制器的可靠性和抗干擾能力;在軟件方面提供了豐富的運動控制函數(shù)庫，以滿足不同的應用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機界面，并調(diào)用運動函數(shù)庫中的指令函數(shù)，就可以開發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統(tǒng)。運動控制器已經(jīng)從以單片機或微處理器為核心的運動控制器和以專業(yè)芯片(asic)作為核心處理器的運動控制器，發(fā)展到了基于pc總線的以dsp和fpga作為核心處理器的開放式運動控制器。同時，將運動控制技術與網(wǎng)絡技術有機結合是當前一個新的研究發(fā)展方向。在一般的控制器與驅(qū)動器的控制架構下，存在配線多、同步特性差、非全數(shù)字化等缺點，而且很難由外界控制器度曲并實時調(diào)整伺服參數(shù)。隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展與運用，可以運用網(wǎng)絡通訊的方案來解決傳統(tǒng)運動控制架構中的問題。例如在串行運動控制網(wǎng)絡中，ieee-1394、sercos-ⅱ等通訊協(xié)議被廣泛采用，它們的硬件傳輸媒介主要是rs-485、光纖、fire wire和以太網(wǎng)。

　　結語

　　運動控制器的應用已經(jīng)遍及眾多領域，特別是在交流伺服和多軸控制系統(tǒng)中。它能夠充分利用計算機資源，方便地幫助用戶實現(xiàn)運動軌跡規(guī)劃、完成既定運動和高精度的伺服控制。運動控制技術將不斷和交流伺服驅(qū)動技術、直線電機驅(qū)動技術等相結合，促使我國機電一體化技術不斷提高。