运动控制器的原理|功能|应用

　　运动控制器是控制电动机的运行方式的专用控制器，比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会。

　　运动控制器越来越广泛地应用于各个行业的自动化设备，如数控机床、雕刻机、切割机、钻孔机、印刷机、冲孔机、激光雕刻、激光切割、包装机、纺织机、食品加工、绘图机、点胶机、焊接机、电子装配自动检测等，甚至在航空航天和国防领域也得到广泛应用。根据所用的CPU不同，运动控制器产品主要有以下五种类型：

　　1、以单片机(MCU)为核心的运动控制器，低端采用8位或16位的单片机作为处理器，其主要优点是价格比较低廉，缺点是运行速度较慢，控制精度较低。因此这种运动控制器适用于一些低速或运动控制精度要求不高的点位运动或轮廓运动控制的自动化设备。

　　2、以专用芯片为核心的运动控制器，美国国家半导体公司生产的LM628和LM629专用运动控制芯片，日本的NOVA生产的MCX304、MCX501等运动控制芯片是专门为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器，产品应用于数控机床、雕刻机、工业机器人、医用设备、绕线机、自动仓库、绘图仪、点胶机、IC制造设备等领域。

　　3、以数字信号处理器(DSP)为核心的运动控制器，美国DeltaTau公司生产的PMAC运动控制器，采用Motorola的DSP56003作为处理器。国内的基于DSP的运动控制器，通常以美国TI公司推出的C2000系列。

　　4、基于SOPC技术的运动控制器，即可编程片上系统，这种运动控制器主要有两种类型：基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统和基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统，如Altera公司推出的采用了哈佛结构、具有32位指令集成的第二代片上可编程的软核和硬核处理器。

　　5、多CPU的运动控制器，这种类型的运动控制器采用两

　　运动控制器是军民用机电一体化产品与系统中的关键部件，可以说有伺服电机的场合就需要运动控制器。它可以直接用于电子机械设备、机器人、数控机床、YL设备、液压控制设备、印刷机械等设备上。

　　一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构驱动器和运动控制器构成，整个系统的运动指令由运动控制器给出，因此运动控制器是整个运动控制系统的灵魂。

　　目前的运动控制器至少有256个常规程序缓冲区，从而内存可以存储多达256个运动程序。在已经有一个坐标系正在执行程序的情况下，另一个程序也可以在任何一个坐标系下运行。可同时执行的运动程序数目仅仅受已定义的坐标数目的限制。当运动程序在前台有序地同步运行，运动控制器可以在后台下运行多达32个异步PLC程序。这些程序完成一些可编程序逻辑控制器(PLC)的功能。

　　PLC程序可以以极高的采样数率监视模拟输入和数字输出，设定输出值，发送信息，监视运动参数，改变增益值，以及命令运动停止/启动序列。PLC程序还可以象从主机发送命令那样对PMAC运动控制器发送命令。这些高速的异步程序附加于运动程序，功能非常强大。

　　运动控制器的运动功能一般是通过对电机各参数的控制来完成的，由于驱动(电机)和负载之间很难做到理想的耦合，运动控制器具有几项高级性能来处理实际问题，诸如滞后，静摩擦，卷曲以及回差。这些问题共同作用会使系统产生机械谐振从而严重损害系统的性能。运动控制器的数字阶式滤波器和双反馈选项中同时测量驱动器以及负载的位置和补偿伺服环中的微分运动的能力可以解决机械谐振问题。

　　标准的运动控制器提供了PID和阶式位置伺服环滤波器。对大多数用户来说，在他们的应用中这个滤波器已经足够了。PLC滤波器即使对那些非控制专家也是很容易理解的。“P”表比例的增益项。比例增益为系统提供刚性“I”代表积分增益，是用以消除稳态误差的控制参数。“D”代表微分增益

　　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。

　　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。

　　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

　　运动控制器是整个运动控制系统的核心，作用是执行编写的程序，通过采集现场的I/O信号，实现各种运算功能，对程序流程和I/O设备进行控制，并与操作站和其他现场设备进行通信。

　　根据运动控制器的核心技术方案来分，主要可分为基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程控制器型、基于通用计算机型、基于专用集成电路(ASIC)型、基于可编程逻辑器件型和基于数字信号处理器(DSP)型等。

　　运动控制器根据被控制的对象来分，可分为步进电机运动控制器、伺服电机运动控制器和既可对步进电机进行控制又可对直流或交流伺服电机进行控制的运动控制器。

　　运动控制器主要可以分为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器及混合型运动控制器。

　　基于总线的运动控制器是利用现有的硬件和操作系统，并结合用户开发的应用程序来实现运动控制的，具有高速的数据处理能力。总线形式上主要有ISA接口、PCI接口、VME接口、RS232接口和USB接口等。

　　独立应用的运动控制器是将控制器、I/O、操作界面和通信接口装入一个机壳内，伺服环的更新、I/O和操作界面均由内部适当的软件来完成。这种控制器无法提供像基于总线的控制器那样灵活的通信和操作界面，而且要集成到大型的系统也比较困难。但从应用需求来看，这两种类型的运动控制器各有其优点:基于总线结构型的运动控制器易于系统集成，具有很好的网络功能和开放性;独立型运动控制器应用起来灵活机动、系统升级优化也比较容易。

　　混合型的运动控制器是由一个运动控制器和一个伺服驱动器组装而成的，既具有独立运动控制器的优点，同时也可以通过很多方法和协议将多个伺服驱动器连接在一起，进行协调控制。

　　运动控制器根据位置控制原理，即有无检测反馈传感器及其检测装置，可分为开环、半闭环和闭环三

　　运动控制器是整个运动控制系统的核心，可以在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

　　运动控制器在国民经济和国防建设中所起的作用及其应用的范围越来越大。归纳起来主要有以下几方面的应用。

　　①加工机械：数控机床、加工ZX、激光切割机、磨床、冲压机等。

　　②机器人：焊接机器人、装配机器人、搬运机器人、喷涂机器人、农业机器人、空间机器人等。

　　③半导体制造与测试：自动晶圆传递、卡带操作、电路板路径器、集成电路插装、晶圆切片机等。

　　④制造业与自动组装线：粘接分配器、绕线机、纤维光电子学玻璃推进器、高速标签印刷机、芯片组装等。

　　⑤航空宇宙：天线定位器、相机控制、激光跟踪装置、天文望远镜等。

　　⑥测试与测量：坐标检测、齿轮检测、键盘测试器、进给部分检测器、印刷电路板测试等。

　　⑦YL设备： CAT 扫描仪、DNA 测试、交测量测试器、CT机、人工心脏等。

　　⑧材料处理设备：纸板箱升降机、装设运转带驱动器、核反应棒移动器、包装系统、食品加工机等。

　　1、运动控制器选型步骤：

　　①根据要开发设备的工作特点，确定伺服电机的类型。

　　②确定要控制的电机轴数和电机工作模式。

　　③确定位置检测、反馈模式，选择是否采用光电编码器或光栅尺。

　　④确定输入输出开关量的数量。

　　⑤根据以上内容，选择合适的运动控制器。

　　2、三类运动控制器的选择

　　三种可供选择的Z普通的运动控制器都是基于物理结构：基于PLC的运动控制器，基于PC的运动控制器和单独运动控制器。

　　基于PLC的运动控制器：

　　基于PLC的运动控制器是典型的多轴单元，可为许多任务提供更加紧密的轴间同步，这些任务诸如：插入、路径控制以及从动于公共主控反馈源的多轴。现在，随着控制器中许多高速通信网络选择的出现，这些相同的功

　　运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

　　运动控制(MC)是20世纪90年代在国际上兴起的一个多学科交叉的研究领域，是自动化技术的一个重要分支，运动控制起源于早期的伺服控制，早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。

　　简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的轨迹和规定的运动参数(如速度、加速度参数等)完成相应的动作。运动控制至今没有统一的定义，我们赞成这样的定义：所谓运动控制，是综合运用力学、机械、电子、计算机、通信和自动化等有关技术，采用适当的控制原理、方法，在硬件或软件平台上实现满足精度、响应速度和其他要求的执行装置的位置/角位移、速度/角速度、加速度/角加速度、力矩/力的控制。运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。

　　运动控制系统(MCS)包含单轴速度伺服系统、单轴位置伺服系统和多轴运动协调等。伺服系统通常认为是位移、速度、加速度的闭环控制，速度伺服系统又是位置伺服系统的基础，而工程技术人员习惯上将“位置伺服系统”称之为“伺服系统”。电力拖动自动控制系统中常常提到的调速系统则包含了开环与闭环速度控制系统。所以，单轴速度伺服系统是分析运动控制的基础。

　　运动控制系统可以分为单轴运动控制系统与多轴运动控制系统。

　　对于单轴运动控制，可以分为单轴速度控制、位置控制、力矩控制等。单轴运动控制是多轴运动控制的基础。

　　单轴位置控制可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。其特点和应用如下：

　　①开环伺服系统：运动部件的位移没有检测反馈装置，数控装置发出的信号是单向的，通常采用功率步进电机作位移的伺服机构。开环伺服系统结构简单，调试

　　运动控制卡是控制系统的核心模块，也是和控制系统的设计目的耦合Z紧密的，一旦运动卡选定了，其它的设计都要围绕运动控制进行选择和设计，所以如何选择运动控制卡，对运动控制系统的设计是非常重要的。

　　运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。

　　运动控制卡基于PC总线，利用高性能微处理器(如DSP)及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。

　　①为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;

　　②在各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能YL装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台;

　　③PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

　　运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等);运动控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。

　　运动控制卡一般配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自