現代運動(dòng)控制系統及其應用

圖1 典型運動(dòng)控制系統組成

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

　　運動(dòng)控制器的分類(lèi)

　　目前市場(chǎng)上的運動(dòng)控制器根據不同的方法有不同的分類(lèi)。

　　按被控對象分類(lèi)：

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

　　按結構進(jìn)行分類(lèi)：

　　基于計算機標準總線(xiàn)的運動(dòng)控制器

　　基于總線(xiàn)的運動(dòng)控制器是利用計算機硬件和操作系統，并結合用戶(hù)開(kāi)發(fā)的運動(dòng)控制應用程序來(lái)實(shí)現的，具有高速的數據處理能力?？偩€(xiàn)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(dòng)控制器大都采用dsp或微機芯片作為cpu，可完成運動(dòng)規劃、高速實(shí)時(shí)插補、伺服濾波控制和伺服驅動(dòng)、外部i/o之間的標準化通用接口功能，同時(shí)隨控制器還提供功能強大的運動(dòng)控制軟件庫：c語(yǔ)言運動(dòng)函數庫、windows dll動(dòng)態(tài)鏈接庫等，可供用戶(hù)根據不同的需求，在dos或windows等平臺下自行開(kāi)發(fā)應用軟件，組成各種控制系統。

　　例如美國deltatau公司的pmac多軸運動(dòng)控制器，采用motorola公司的高性能數字信號處理器dsp5600x作為cpu，可以最多同時(shí)控制8根軸，與各種類(lèi)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(dòng)控制卡、固高科技(深圳)有限公司的gt系列運動(dòng)控制器產(chǎn)品和美國ni公司的ni系列運動(dòng)控制器等都是這類(lèi)產(chǎn)品。

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

　　soft型開(kāi)放式運動(dòng)控制器

　　基于soft型開(kāi)放式運動(dòng)控制器[3>提供給用戶(hù)很大的靈活性，它的運動(dòng)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動(dòng)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和相應的驅動(dòng)程序一樣。用戶(hù)可以在windows平臺和其他操作系統的支持下，利用開(kāi)放的運動(dòng)控制內核，開(kāi)發(fā)所需的控制功能，構成各種類(lèi)型的高性能運動(dòng)控制系統，從而提供給用戶(hù)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(luò )的運動(dòng)控制器和國內的固高科技有限公司的go系列運動(dòng)控制器產(chǎn)品等。soft型開(kāi)放式運動(dòng)控制的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統集成商和開(kāi)發(fā)商更加個(gè)性化的開(kāi)發(fā)平臺。此類(lèi)產(chǎn)品的價(jià)格國內產(chǎn)品普遍要低于國外產(chǎn)品，但在技術(shù)性能上也存在一定差距。

　　嵌入式結構的運動(dòng)控制器

　　這類(lèi)運動(dòng)控制器是把計算機嵌入到運動(dòng)控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動(dòng)控制器與計算機之間的通信依然是靠計算機總線(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是基于總線(xiàn)結構的運動(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等現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )通信接口聯(lián)接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動(dòng)控制器也可配置軟盤(pán)和硬盤(pán)驅動(dòng)器，甚至可以通過(guò)internet進(jìn)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(dòng)控制平臺系列產(chǎn)品等。

　　運動(dòng)控制器應用場(chǎng)合的控制形式有：

　　點(diǎn)位運動(dòng)控制

　　即僅對終點(diǎn)位置有要求，與運動(dòng)的中間過(guò)程即運動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)。相應的運動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運動(dòng)的加速段和減速段，采用不同的加減速控制策略。在加速運動(dòng)時(shí)，為了使系統能夠快速加速到設定速度，往往提高系統增益和加大加速度，在減速的末段采用s 曲線(xiàn)減速的控制策略。為了防止系統到位后震動(dòng)，規劃到位后，又會(huì )適當減小系統的增益。所以，點(diǎn)位運動(dòng)控制器往往具有在線(xiàn)可變控制參數和可變加減速曲線(xiàn)的能力。

　　連續軌跡運動(dòng)控制

　　該控制又稱(chēng)為輪廓控制，主要應用在傳統的數控系統、切割系統的運動(dòng)輪廓控制。相應的運動(dòng)控制器要解決的問(wèn)題是如何使系統在高速運動(dòng)的情況下，既要保證系統加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。對小線(xiàn)段加工時(shí)，有多段程序預處理功能。

　　同步運動(dòng)控制

　　是指多個(gè)軸之間的運動(dòng)協(xié)調控制，可以是多個(gè)軸在運動(dòng)全程中進(jìn)行同步，也可以是在運動(dòng)過(guò)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(dòng)控制器的控制算法常采用自適應前饋控制，通過(guò)自動(dòng)調節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，保證系統的同步控制。

　　運動(dòng)控制器的應用舉例

　　開(kāi)放式運動(dòng)控制系統的硬件結構

圖2　二軸運動(dòng)控制系統結構圖

　　如圖2所示，整個(gè)系統以基于“pc機+運動(dòng)控制器”為核心，采用ni公司ni7340系列運動(dòng)控制器ni7342、telemecanique驅動(dòng)器和交流伺服電動(dòng)機構成一個(gè)開(kāi)放式硬件結構。在該伺服控制系統中，控制器上專(zhuān)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的實(shí)時(shí)監控等方面的工作，例如鍵盤(pán)和鼠標的管理、系統狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送和外部信號i/o的監控等。運動(dòng)控制器配備內容豐富、功能強大的運動(dòng)函數庫，供用戶(hù)使用完成電動(dòng)機的運動(dòng)規劃。系統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，以實(shí)現二軸的位置控制。x軸和y軸原點(diǎn)、限位檢測是通過(guò)一組機械來(lái)實(shí)現，原點(diǎn)檢測開(kāi)關(guān)作為每個(gè)軸的零點(diǎn)位置，限位檢測開(kāi)關(guān)確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號送入運動(dòng)控制卡狀態(tài)寄存器后由cpu隨時(shí)讀出，達到對i/o狀態(tài)信號的檢測。在硬件上，運動(dòng)控制器上的光電隔離措施既隔離了外設對內部數字系統的干擾，有能有效防止過(guò)電壓、過(guò)電流等外界突發(fā)事件對計算機系統的損壞，大大提高了系統的控制精度和可靠性。

　　運動(dòng)控制系統的軟件開(kāi)發(fā)

　　運動(dòng)控制器同時(shí)還配備有運動(dòng)函數庫，函數庫為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供了許多運動(dòng)函數，如單軸運動(dòng)、多軸獨立運動(dòng)、多軸插補運動(dòng)以及多軸同步運動(dòng)等等?；趎i7342運動(dòng)控制器組成的控制系統，可采用labview、vb、vc多種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)用戶(hù)自己的應用程序。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，它和其他高級語(yǔ)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(yǔ)言的函數功能，ni專(zhuān)門(mén)為用戶(hù)提供了運動(dòng)控制的vi-ni-motion，用戶(hù)利用labview技術(shù)編寫(xiě)圖形程序可以方便的實(shí)現調用，同時(shí)也便于設計友好的人機界面，便于人機交互和管理。系統的程序結構模塊如圖3所示，除了主體的運動(dòng)控制程序外，還包括初始化、與pc實(shí)時(shí)數據交互、系統保護、狀態(tài)監測等部分。labview內置了便于應用tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數。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。

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

圖3　二軸系統軟件模塊

　　運動(dòng)控制器的發(fā)展現狀與趨勢

　　運動(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)。運動(dòng)控制器采用了開(kāi)放式結構，使用簡(jiǎn)便，功能豐富，可靠性高。若采用pc機的pci總線(xiàn)方式，卡上無(wú)需進(jìn)行任何跳線(xiàn)設置，所有資源自動(dòng)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(dòng)控制函數庫，以滿(mǎn)足不同的應用要求。用戶(hù)只需根據控制系統的要求編制人機界面，并調用運動(dòng)函數庫中的指令函數，就可以開(kāi)發(fā)出既滿(mǎn)足要求又成本低廉的多軸運動(dòng)控制系統。運動(dòng)控制器已經(jīng)從以單片機或微處理器為核心的運動(dòng)控制器和以專(zhuān)業(yè)芯片(asic)作為核心處理器的運動(dòng)控制器，發(fā)展到了基于pc總線(xiàn)的以dsp和fpga作為核心處理器的開(kāi)放式運動(dòng)控制器。同時(shí)，將運動(dòng)控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有機結合是當前一個(gè)新的研究發(fā)展方向。在一般的控制器與驅動(dòng)器的控制架構下，存在配線(xiàn)多、同步特性差、非全數字化等缺點(diǎn)，而且很難由外界控制器度曲并實(shí)時(shí)調整伺服參數。隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與運用，可以運用網(wǎng)絡(luò )通訊的方案來(lái)解決傳統運動(dòng)控制架構中的問(wèn)題。例如在串行運動(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)。

　　結語(yǔ)

　　運動(dòng)控制器的應用已經(jīng)遍及眾多領(lǐng)域，特別是在交流伺服和多軸控制系統中。它能夠充分利用計算機資源，方便地幫助用戶(hù)實(shí)現運動(dòng)軌跡規劃、完成既定運動(dòng)和高精度的伺服控制。運動(dòng)控制技術(shù)將不斷和交流伺服驅動(dòng)技術(shù)、直線(xiàn)電機驅動(dòng)技術(shù)等相結合，促使我國機電一體化技術(shù)不斷提高。