运动控制器功能实现方法

　　运动控制器历经分立电子元件、集成电路(包括小、中、大、超大规模集成电路)，直至微控制器的出现，使运动控制器发生了质的飞跃——由硬件电路发展到软件控制。运动控制器也随之进入了全数字化控制的新阶段。

基于模拟电路运动控制器

　　早期的运动控制器一般采用运算放大器等分立元件，以模拟电路硬接线方式构成。

　　这种运动控制器具有以下优点:

　　①对输入信号进行实时处理，没有附加延时，响应速度快;

　　②由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率，因此控制器的精度较高且具有较大的带宽。

　　但是，模拟控制系统与数字控制系统相比，也有明显的缺点:

　　①老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大;

　　②构成模拟系统需要的元器件较多，增加了系统的复杂性，Z终使系统的可靠性降低;

　　③由于采用硬接线，系统设计安装完成后，几乎不可能修改系统的功能;

　　④受系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复杂控制算法。

　　目前在一些早期的系统和功能简单的系统中仍然采用这种运动控制器。

基于微控制单元运动控制器

　　微控制单元(MCU，即单片计算机)将CPU、RAM、ROM或EPROM、CTC、I/O等集成在一块芯片上，具有集成度高、速度快、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、体积小、功能强、价格低等诸多优点，并且微控制单元的功能愈来愈强，因而目前使用微控制单元为核心构成运动控制器非常普遍。

　　这种运动控制器具有以下优点:

　　①模拟电路实现逻辑控制需要许多分立电子元件，而在微控制单元中绝大多数控制逻辑可采用软件来实现，使电路更简单;

　　②微控制单元具有大容量的存储器和较强的逻辑功能，运算速度快、精度高，因此可以实现较复杂的控制运算;

　　③由于微控制单元的控制方式主要通过软件来实现，需要改变控制规律时只需修改相应的软件即可，因而具有较强的灵活性和适应性;

　　④由于数字控制系统中一般不会出现模拟电路中的零点漂移问题，且控制器的字长一般可保证足够的控制精度，因而具有较高的控制精度;

　　⑤可设计友好的人机界面，实现多机联网工作。

　　但是，由于—般微控制单元集成度较低，片上不具备运动控制系统所需要的专用外设，使以微控制单元为核心的运动控制器仍然需要较多的周边元器件，如要加上存储器、编码器信号处理及D/A转换电路等，软硬件设计的工作量较大，并增加了系统硬件的复杂性，降低了系统的可靠性。

　　同时，由于微控制单元一般采用冯-诺依曼总线结构，使处理速度和能力有限，难以实现先进控制算法和满足运算量较大的实时信号处理的需要，不适用于高精度、高速度控制场合，只能应用在低速点位控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合。

基于可编程逻辑控制器

　　可编程逻辑控制器(PLC)是以微处理器为基础，在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。它是将计算机技术与自动控制技术综合为一体的工业控制产品，由ZY处理单元(CPU)、存储器、输入/输出单元(I/O)、电源、编程器等组成，是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机。

　　可编程逻辑控制器一般都具有脉冲输出功能，以它作为运动控制器，可以控制接收脉冲和方向信号工作的电机，如步进电机和数字式交流伺服电机等。这种运动控制器具有体积小、可靠性高，通用性强，成本较低，软、硬件开发周期短，安装维护简便，在工业现场抗干扰能力强等优点。

　　但由于PLC是以循环扫描方式工作，即每一次状态变化需要一个扫描周期，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间。由于受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，被控制电机不能在高频下工作，转速较慢，且不能实现复杂的运动关系，故一般只应用在点位控制和单轴运动控制等场合。

基于通用计算机的运动控制器

　　在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合与计算机进行信号交换的通信接口板和驱动电机的电路板，构成一个运动控制器。

　　这种实现方法利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，并且控制软件的修改也很方便。但是，由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法;同时，系统体积过大，难以应用于工业现场。因此，这种实现方法一般用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制器。

基于专用运动控制芯片

　　基于专用运动控制芯片的运动控制器是将实现电机控制所需的各种逻辑功能做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸如限位开关、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能，使用户的软件设计工作减少到Z小程度。

　　对于伺服电机，用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM区内，可由计算机用指令很方便地修改。这种方法具有系统使用元件少、集成度高、可靠性好等优点，同时又保持了模拟控制系统的快速响应能力。专用运动控制芯片价格便宜，使系统成本较低。

　　但由于受专用运动控制芯片本身的限制，这种方法也有一些缺点:

　　①为了保证较高的系统响应速度而将软件算法固化在芯片内部，降低了系统的灵活性，不具有扩展能力;

　　②受芯片制作工艺的限制，现有的芯片很难实现复杂的控制算法和功能;

　　③用户不能对芯片进行编程，很难实现系统的升级;

　　④由于芯片本身算法的限制，系统的控制精度较低，难以实现高性能、高精度的应用场合。

基于数字信号处理器的运动控制器

　　数字信号处理器(DSP)是微处理器的一种，随着运动控制器领域对嵌入式DSP控制器的市场需求的不断增大，DSP厂商为此推出各种运动控制器专用DSP，且成本不断下降，因此数字信号处理器是单片机的理想替代品，采用DSP芯片为核心来实现电机的运动控制器已经是一个必然趋势。

　　由于DSP的高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能都得以实现，且DSP将实时处理能力和控制的外设功能集于一身，基于DSP构成的运动控制器是一个单片系统，大幅度减少了外部元器件的数量，增加了系统的可靠性;同时，由于各种性能通过软件编程来实现，系统开放性、扩展性、维护性都很好。

　　这种方法的优点是:

　　①对输入和反馈信号的处理可以消除噪声污染或不精确的数据，从而可以去掉昂贵或不可靠的传感器;

　　②在实现特殊输入轨迹时，应用微处理器的控制经常是通过查表产生控制输入，DSP可以用专门的函数和算法代替这些表和插补过程，因而可以使用更加复杂的多变量函数，减少对存储器的要求，提供Zyou的函数，且系统运行更加平稳，能耗更低，并提高驱动装置的可靠性;

　　③DSP能实时实现许多先进的复杂控制算法，如自适应和Zyou多变量控制、重复控制、学习算法、神经网络、遗传算法、模糊逻辑控制和其它控制方法都可以借助DSP的速度和性能得以实时实现;

　　④运动控制系统通常用PWM技术控制开关功率整流器，而通过DSP来实现产生PWM和电子换向可以去掉D/A转换器，因而与电流驱动的双极功率晶体管相比，减少了元件数目以及功耗和驱动系统的体积，这种方法提高了供给电压的利用率，同时降低了电动机电流中的谐波分量;

　　⑤在运动控制系统中系统运行中的故障诊断和处理是处理器的重要任务之一，而DSP能够方便地实现实时监控，且DSP除了作为数字控制器之外，还可以用来处理非控制问题，包括与上位主机的通信、数字滤波和数据总线控制协议等。