[科普中國(guó)]-運(yùn)動(dòng)控制器

簡(jiǎn)介

運(yùn)動(dòng)控制（Motion Control）通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。

按照使用動(dòng)力源的不同，運(yùn)動(dòng)控制主要可分為以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的電氣運(yùn)動(dòng)控制、以氣體和流體作為動(dòng)力源的氣液控制和以燃料（煤、油等）作為動(dòng)力源的熱機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在所有動(dòng)力源中，90%以上來(lái)自于電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，所以在這幾種運(yùn)動(dòng)控制中，電氣運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用最為廣泛。

電氣運(yùn)動(dòng)控制是由電機(jī)拖動(dòng)發(fā)展而來(lái)的，電力拖動(dòng)或電氣傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)為對(duì)象的控制系統(tǒng)的通稱。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多種多樣，但從基本結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)典型的現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器反饋檢測(cè)裝置等部分組成。其中的運(yùn)動(dòng)控制器是指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。1

運(yùn)動(dòng)控制器就是控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式的專(zhuān)用控制器：比如電動(dòng)機(jī)在由行程開(kāi)關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停。運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用要比在專(zhuān)用機(jī)器中的應(yīng)用更復(fù)雜，因?yàn)楹笳哌\(yùn)動(dòng)形式更簡(jiǎn)單，通常被稱為通用運(yùn)動(dòng)控制（GMC）。運(yùn)動(dòng)控制器是決定自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的主要器件2。對(duì)于三菱系列，運(yùn)動(dòng)CPU就是運(yùn)動(dòng)控制器3。對(duì)于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器即可滿足要求，且性價(jià)比較高4。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)品目前國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類(lèi)：

以單片機(jī)或微機(jī)處理器作為核心以單片機(jī)或微機(jī)處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精度不高，成本相對(duì)較低。在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。5

以專(zhuān)用芯片作為核心處理器以專(zhuān)用芯片作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開(kāi)環(huán)控制方式。這類(lèi)控制器對(duì)單軸的點(diǎn)位控制場(chǎng)合是基本滿足要求的，但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)器不能滿足要求。由于這類(lèi)控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也沒(méi)有前瞻功能，特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，不能使用這類(lèi)控制器。另外，由于硬件資源的限制，這類(lèi)控制器的圓弧插補(bǔ)算法通常都采用逐點(diǎn)比較法，這樣一來(lái)圓弧插補(bǔ)的精度不高。5

基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器基于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，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣將PC機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類(lèi)控制器充分利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的超強(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出功能完善、性能優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制器。這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)地插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用FPGA技術(shù)來(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的特殊工藝要求和技術(shù)要求進(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。5

主要功能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能實(shí)際上是形成運(yùn)動(dòng)的速度和位置的基準(zhǔn)量。合適的基準(zhǔn)量不但可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)械傳遞元件的要求。通用運(yùn)動(dòng)控制器通常都提供基于對(duì)沖擊、加速度和速度等這些可影響動(dòng)態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。5

對(duì)于加速度進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對(duì)于沖擊進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生S形速度曲線。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，采用加速度和速度基準(zhǔn)量限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，就已獲得一種優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于高加速度、小行程運(yùn)動(dòng)的快速定位系統(tǒng)，其定位時(shí)間和超調(diào)量都有嚴(yán)格的要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。5

多軸插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)功能通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的多軸插補(bǔ)功能在數(shù)控機(jī)械行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，由于雕刻市場(chǎng)，特別是模具雕刻機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展，推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制器的連續(xù)插補(bǔ)功能的發(fā)展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工，要求段間加工速度波動(dòng)盡可能小，速度變化的拐點(diǎn)要平滑過(guò)渡，這樣要求運(yùn)動(dòng)控制器有速度前瞻和連續(xù)插補(bǔ)的功能。固高科技公司推出的專(zhuān)門(mén)用于小線段加工工藝的連續(xù)插補(bǔ)型運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器在模具雕刻、激光雕刻、平面切割等領(lǐng)域獲得了良好的應(yīng)用。5

電子齒輪與電子凸輪功能電子齒輪和電子凸輪可以大大地簡(jiǎn)化機(jī)械設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)現(xiàn)許多機(jī)械齒輪與凸輪難以實(shí)現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)，這使得運(yùn)動(dòng)控制器在定長(zhǎng)剪切和無(wú)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的套色印刷方面有很好地應(yīng)用。5

另外，電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以設(shè)定的齒輪比跟隨一個(gè)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定；一個(gè)軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度。電子凸輪功能可以通過(guò)編程改變凸輪形狀，無(wú)需修磨機(jī)械凸輪，極大簡(jiǎn)化了加工工藝。這個(gè)功能使運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機(jī)驅(qū)動(dòng)彈簧等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。5

比較輸出功能指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，位置到達(dá)設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器輸出一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)量，而運(yùn)動(dòng)過(guò)程不受影響。如在AOI的飛行檢測(cè)中，運(yùn)動(dòng)控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運(yùn)行到設(shè)定的位置即啟動(dòng)CCD快速攝像，而運(yùn)動(dòng)并不受影響，這極大地提高了效率，改善了圖像質(zhì)量。另外，在激光雕刻應(yīng)用中，固高科技的通用運(yùn)動(dòng)器的這項(xiàng)功能也獲得了很好地應(yīng)用。5

探針信號(hào)鎖存功能可以鎖存探針信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻，各運(yùn)動(dòng)軸的位置，其精度只與硬件電路相關(guān)，不受軟件和系統(tǒng)運(yùn)行慣性的影響，在CCM測(cè)量行業(yè)有良好的應(yīng)用。另外，越來(lái)越多的OEM廠商希望他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)集成到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中去，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合和控制對(duì)象，個(gè)性化設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的功能。固高科技公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)可通用運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使通用運(yùn)動(dòng)控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_(kāi)放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，用戶可以將自己設(shè)計(jì)的控制算法加載到運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)存中，而無(wú)需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以重新構(gòu)造出一個(gè)特殊用途的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器。5

架構(gòu)組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)（期望輸出）和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個(gè)速度環(huán)。 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或放大器用來(lái)將運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)（通常是速度或扭矩信號(hào)）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。 一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)。一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。 通常，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制和點(diǎn)位控制（點(diǎn)到點(diǎn)）。有很多方法可以計(jì)算出一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，它們通?；谝粋€(gè)運(yùn)動(dòng)的速度曲線如三角速度曲線，梯形速度曲線或者S型速度曲線。如 電子齒輪（或電子凸輪）。也就是從動(dòng)軸的位置在機(jī)械上跟隨一個(gè)主動(dòng)軸的位置變化。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，一個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，它們按照一個(gè)給定的相對(duì)角度關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)。電子凸輪較之電子齒輪更復(fù)雜一些，它使得主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的隨動(dòng)關(guān)系曲線是一個(gè)函數(shù)。這個(gè)曲線可以是非線性的，但必須是一個(gè)函數(shù)關(guān)系。

優(yōu)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)：

（1）硬件組成簡(jiǎn)單，把運(yùn)動(dòng)控制器插入PC總線，連接信號(hào)線就可組成系統(tǒng)；

（2）可以使用PC機(jī)已經(jīng)具有的豐富軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)；

（3）運(yùn)動(dòng)控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；

（4）可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)。5

缺點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制器的缺點(diǎn)：

（1）采用板卡結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器采用金手指連接，單邊固定，在多數(shù)環(huán)境較差的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（振動(dòng)、粉塵、油污嚴(yán)重），不適宜長(zhǎng)期工作。

（2）PC資源浪費(fèi)。由于PC的捆綁方式銷(xiāo)售，用戶實(shí)際上僅使用少部分PC資源，未使用的PC資源不但造成閑置和浪費(fèi)，還帶來(lái)維護(hù)上的麻煩。

（3）整體可靠性難以保證，由于PC選擇可以是工控機(jī)，也可以是商用機(jī)。系統(tǒng)集成后，可靠性差異很大，并不是由運(yùn)動(dòng)控制器能保證的。

（4）難以突出行業(yè)特點(diǎn)。5

發(fā)展趨勢(shì)由于下游機(jī)械設(shè)備廠商對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的強(qiáng)勁需求，中國(guó)通用運(yùn)動(dòng)控制器（GMC）市場(chǎng)容量預(yù)計(jì)會(huì)在2014年達(dá)到10.65億美金，而CNC運(yùn)動(dòng)控制器市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到12.39億美金。

專(zhuān)家認(rèn)為：機(jī)床，紡織機(jī)械，橡塑機(jī)械，印刷機(jī)械和包裝機(jī)械行業(yè)約占中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)銷(xiāo)售額的80%以上，現(xiàn)在和將來(lái)都會(huì)是運(yùn)動(dòng)控制器的主要市場(chǎng)。而食品飲料機(jī)械，煙草機(jī)械，醫(yī)療設(shè)備和科研設(shè)備行業(yè)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的需求由于和人民生活緊密相關(guān)，這些終端消費(fèi)一直處于穩(wěn)定增長(zhǎng)中，所以這一類(lèi)機(jī)械行業(yè)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的需求是穩(wěn)定增長(zhǎng)的。

雖然電子和半導(dǎo)體機(jī)械設(shè)備行業(yè)在2008年底受到了一些沖擊，但運(yùn)動(dòng)控制器在電子和半導(dǎo)體機(jī)械中的應(yīng)用一直在增長(zhǎng)，2009年和2010年由于對(duì)電子制造業(yè)的龐大資金投入和終端消費(fèi)的拉動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器在電子和半導(dǎo)體機(jī)械設(shè)備中的銷(xiāo)售強(qiáng)勁反彈。中國(guó)作為全世界最重要的電子制造業(yè)基地之一，電子制造，電子組裝和半導(dǎo)體設(shè)備的需求和產(chǎn)量都穩(wěn)定增長(zhǎng)，這些產(chǎn)業(yè)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)大規(guī)模轉(zhuǎn)移到其他成本更低的國(guó)家，所以今后幾年運(yùn)動(dòng)控制器在電子和半導(dǎo)體機(jī)械設(shè)備行業(yè)的銷(xiāo)售還會(huì)保持較快增長(zhǎng)。

隨著機(jī)械制造OEM廠商對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品越來(lái)越熟悉，運(yùn)動(dòng)控制器一直在拓展它的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，在一些非傳統(tǒng)的細(xì)分行業(yè)取得了突破。雖然這些行業(yè)只占了運(yùn)動(dòng)控制器市場(chǎng)很小的市場(chǎng)，但這些領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥?lái)的贏利增長(zhǎng)點(diǎn)，也為很多中小型的公司提供了市場(chǎng)機(jī)會(huì)。比如說(shuō)風(fēng)力變槳距控制系統(tǒng)，油田抽油機(jī)，火焰切割機(jī)，硅片切割機(jī)，追日系統(tǒng)，彈簧機(jī)，植毛機(jī)等等。