現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

圖1 典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

　　運(yùn)動(dòng)控制器是以中央邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號(hào)敏感元件、以電機(jī)或動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。其功能在于提供整個(gè)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(yùn)動(dòng)控制器的分類

　　目前市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)不同的方法有不同的分類。

　　按被控對(duì)象分類：

　　根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合被控對(duì)象的不同可分為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器和既可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制又可以對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制的運(yùn)動(dòng)控制器。

　　按結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類：

　　基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器

　　基于總線的運(yùn)動(dòng)控制器是利用計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)，并結(jié)合用戶開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序來(lái)實(shí)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(yùn)動(dòng)控制器大都采用dsp或微機(jī)芯片作為cpu，可完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)插補(bǔ)、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動(dòng)、外部i/o之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口功能，同時(shí)隨控制器還提供功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制軟件庫(kù)：c語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)、windows dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等，可供用戶根據(jù)不同的需求，在dos或windows等平臺(tái)下自行開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。

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

　　從用戶使用的角度來(lái)看，這些基于pc機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器之間的差異主要是硬件接口(輸入/輸出信號(hào)的種類、性能)和軟件接口(運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)的功能函數(shù))。

　　soft型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器

　　基于soft型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器[3>提供給用戶很大的靈活性，它的運(yùn)動(dòng)控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部i/o之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口，如同計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡、cdrom和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶可以在windows平臺(tái)和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核，開(kāi)發(fā)所需的控制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運(yùn)動(dòng)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(guó)mdsi公司的open cnc、德國(guó)pa(power automation)公司的pa8000nt，美國(guó)soft servo公司的基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制器和國(guó)內(nèi)的固高科技有限公司的go系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。soft型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)、制造成本相對(duì)較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開(kāi)發(fā)商更加個(gè)性化的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此類產(chǎn)品的價(jià)格國(guó)內(nèi)產(chǎn)品普遍要低于國(guó)外產(chǎn)品，但在技術(shù)性能上也存在一定差距。

　　嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器

　　這類運(yùn)動(dòng)控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信依然是靠計(jì)算機(jī)總線，實(shí)質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級(jí)計(jì)算機(jī)或控制面板。嵌入式的運(yùn)動(dòng)控制器也可配置軟盤(pán)和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，甚至可以通過(guò)internet進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，例如美國(guó)adept公司的smartcontroller，固高科技公司的gu嵌入式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)系列產(chǎn)品等。

　　運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用場(chǎng)合的控制形式有：

　　點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制

　　即僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過(guò)程即運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)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(dòng)，規(guī)劃到位后，又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制

　　該控制又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的問(wèn)題是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。對(duì)小線段加工時(shí)，有多段程序預(yù)處理功能。

　　同步運(yùn)動(dòng)控制

　　是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行同步，也可以是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的局部有速度同步，主要應(yīng)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(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來(lái)保證在輸入端加一個(gè)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(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用舉例

　　開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖2　二軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)以基于“pc機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器”為核心，采用ni公司ni7340系列運(yùn)動(dòng)控制器ni7342、telemecanique驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放式硬件結(jié)構(gòu)。在該伺服控制系統(tǒng)中，控制器上專用cpu與pc機(jī)cpu構(gòu)成主從式雙cpu控制模式。pc機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作，例如鍵盤(pán)和鼠標(biāo)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(hào)i/o的監(jiān)控等。運(yùn)動(dòng)控制器配備內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，供用戶使用完成電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(hào)的大小控制電機(jī)的速度，信號(hào)的正負(fù)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)二軸的位置控制。x軸和y軸原點(diǎn)、限位檢測(cè)是通過(guò)一組機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)，原點(diǎn)檢測(cè)開(kāi)關(guān)作為每個(gè)軸的零點(diǎn)位置，限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號(hào)送入運(yùn)動(dòng)控制卡狀態(tài)寄存器后由cpu隨時(shí)讀出，達(dá)到對(duì)i/o狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)。在硬件上，運(yùn)動(dòng)控制器上的光電隔離措施既隔離了外設(shè)對(duì)內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的干擾，有能有效防止過(guò)電壓、過(guò)電流等外界突發(fā)事件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

　　運(yùn)動(dòng)控制器同時(shí)還配備有運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，函數(shù)庫(kù)為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供了許多運(yùn)動(dòng)函數(shù)，如單軸運(yùn)動(dòng)、多軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)以及多軸同步運(yùn)動(dòng)等等。基于ni7342運(yùn)動(dòng)控制器組成的控制系統(tǒng)，可采用labview、vb、vc多種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)用戶自己的應(yīng)用程序。由于labview本身同為ni公司產(chǎn)品，利用它開(kāi)發(fā)是最支持也是最方便的。作為一種圖形化編程語(yǔ)言，它和其他高級(jí)語(yǔ)言一樣，提供各種循環(huán)和結(jié)構(gòu)，以虛擬儀器vi (virtual instrument)的形式代替其他語(yǔ)言的函數(shù)功能，ni專門(mén)為用戶提供了運(yùn)動(dòng)控制的vi-ni-motion，用戶利用labview技術(shù)編寫(xiě)圖形程序可以方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)用，同時(shí)也便于設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，便于人機(jī)交互和管理。系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)模塊如圖3所示，除了主體的運(yùn)動(dòng)控制程序外，還包括初始化、與pc實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等部分。labview內(nèi)置了便于應(yīng)用tcp/ip、activex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)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(guò)程都生動(dòng)有趣。

　　正是由于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大而豐富的軟件功能，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)周期縮短了，開(kāi)發(fā)手段增多了，針對(duì)不同的數(shù)控設(shè)備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢(shì)得以被充分利用。

圖3　二軸系統(tǒng)軟件模塊

　　運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展是制造自動(dòng)化前進(jìn)的旋律，是推動(dòng)新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制器采用了開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，使用簡(jiǎn)便，功能豐富，可靠性高。若采用pc機(jī)的pci總線方式，卡上無(wú)需進(jìn)行任何跳線設(shè)置，所有資源自動(dòng)配置，并且所有的輸入、輸出信號(hào)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(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，以滿足不同的應(yīng)用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面，并調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中的指令函數(shù)，就可以開(kāi)發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)從以單片機(jī)或微處理器為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專業(yè)芯片(asic)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)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(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器。同時(shí)，將運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合是當(dāng)前一個(gè)新的研究發(fā)展方向。在一般的控制器與驅(qū)動(dòng)器的控制架構(gòu)下，存在配線多、同步特性差、非全數(shù)字化等缺點(diǎn)，而且很難由外界控制器度曲并實(shí)時(shí)調(diào)整伺服參數(shù)。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通訊的方案來(lái)解決傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)中的問(wèn)題。例如在串行運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)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(jié)語(yǔ)

　　運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用已經(jīng)遍及眾多領(lǐng)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(jì)算機(jī)資源，方便地幫助用戶實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、完成既定運(yùn)動(dòng)和高精度的伺服控制。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)將不斷和交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等相結(jié)合，促使我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)不斷提高。