现代运动控制系统中控制器及其应用

　　运动控制系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机和传感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成，如图1所示。电动机及其功率驱动装置作为执行器主要为被控对象提供动力，特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机，通常内含位置反馈装置，如光电编码器。目前主要应用于工业界的伺服电机包括直流伺服电机、永磁交流伺服电机与感应交流伺服电机，其中以永磁交流伺服电机占大多数。

图1 典型运动控制系统组成

　　运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。其功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如位置控制、速度控制和转矩控制等。
　　运动控制器的分类
　　目前市场上的运动控制器根据不同的方法有不同的分类。
　　按被控对象分类
　　根据应用场合被控对象的不同可分为步进电机运动控制器、伺服电机运动控制器和既可以对步进电机进行控制又可以对交流伺服电机进行控制的运动控制器。
　　按结构进行分类
　　基于计算机标准总线的运动控制器
　　基于总线的运动控制器是利用计算机硬件和操作系统，并结合用户开发的运动控制应用程序来实现的，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。这种运动控制器大都采用dsp或微机芯片作为cpu，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部i/o之间的标准化通用接口功能，同时随控制器还提供功能强大的运动控制软件库:ｃ语言运动函数库、windows dll动态链接库等，可供用户根据不同的需求，在dos或windows等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。
　　例如美国deltatau公司的pmac多轴运动控制器，采用motorola公司的高性能数字信号处理器dsp5600x作为cpu，可以最多同时控制8根轴，与各种类型的主机、放大器、电机和传感器一起完成各种功能[2>。英国阿沃德公司的trio运动控制卡、固高科技(深圳)有限公司的gt系列运动控制器产品和美国ni公司的ni系列运动控制器等都是这类产品。
　　从用户使用的角度来看，这些基于pc机的运动控制器之间的差异主要是硬件接口(输入/输出信号的种类、性能)和软件接口(运动控制函数库的功能函数)。
　　soft型开放式运动控制器
　　基于soft型开放式运动控制器[3>提供给用户很大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i/o之间的标准化通用接口，如同计算机中可以安装各种品牌的声卡、cdrom和相应的驱动程序一样。用户可以在windows平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。
　　这种控制器的典型产品有美国mdsi公司的open cnc、德国pa(power automation)公司的pa8000nt，美国soft servo公司的基于网络的运动控制器和国内的固高科技有限公司的go系列运动控制器产品等。soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台[3>。此类产品的价格国内产品普遍要低于国外产品，但在技术性能上也存在一定差距。
　　嵌入式结构的运动控制器
　　这类运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。在使用中，采用如工业以太网、rs485、sercos、profibus等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过internet进行远程诊断，例如美国adept公司的smartcontroller，固高科技公司的gu嵌入式运动控制平台系列产品等。
　　按被控量性质和运动控制方式分类
　　运动控制器应用场合的控制形式有:
　　点位运动控制
　　即仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动的加速段和减速段，采用不同的加减速控制策略。在加速运动时，为了使系统能够快速加速到设定速度，往往提高系统增益和加大加速度，在减速的末段采用s 曲线减速的控制策略。为了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系统的增益。所以，点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线的能力。
　　连续轨迹运动控制
　　该控制又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。对小线段加工时，有多段程序预处理功能。
　　同步运动控制
　　是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步，也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。工业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。
　　运动控制器的应用举例
　　开放式运动控制系统的硬件结构

图2　二轴运动控制系统结构图

　　如图2所示，整个系统以基于“pc机+运动控制器”为核心，采用ni公司ni7340系列运动控制器ni7342、telemecanique驱动器和交流伺服电动机构成一个开放式硬件结构。在该伺服控制系统中，控制器上专用cpu与pc机cpu构成主从式双cpu控制模式。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、控制指令的发送和外部信号i/o的监控等。运动控制器配备内容丰富、功能强大的运动函数库，供用户使用完成电动机的运动规划。系统采取模拟量输出的位置控制方式，图2中，模拟信号的大小控制电机的速度，信号的正负控制电机正反转，以实现二轴的位置控制。x轴和y轴原点、限位检测是通过一组机械来实现，原点检测开关作为每个轴的零点位置，限位检测开关确保每轴工作行程极限。这些状态信号送入运动控制卡状态寄存器后由cpu随时读出，达到对i/o状态信号的检测。在硬件上，运动控制器上的光电隔离措施既隔离了外设对内部数字系统的干扰，有能有效防止过电压、过电流等外界突发事件对计算机系统的损坏，大大提高了系统的控制精度和可靠性。
　　运动控制系统的软件开发
　　运动控制器同时还配备有运动函数库，函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数，如单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动以及多轴同步运动等等。基于ni7342运动控制器组成的控制系统，可采用labview、vb、vc多种语言开发用户自己的应用程序。由于labview本身同为ni公司产品，利用它开发是最支持也是最方便的。作为一种图形化编程语言，它和其他高级语言一样，提供各种循环和结构，以虚拟仪器vi (virtual instrument)的形式代替其他语言的函数功能，ni专门为用户提供了运动控制的vi-ni-motion，用户利用labview技术编写图形程序可以方便的实现调用，同时也便于设计友好的人机界面，便于人机交互和管理。系统的程序结构模块如图3所示，除了主体的运动控制程序外，还包括初始化、与pc实时数据交互、系统保护、状态监测等部分。labview内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。利用它还可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
　　正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。

图3　二轴系统软件模块

　　运动控制器的发展现状与趋势
　　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[6>。运动控制器采用了开放式结构，使用简便，功能丰富，可靠性高。若采用pc机的pci总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制器的可靠性和抗干扰能力;在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。运动控制器已经从以单片机或微处理器为核心的运动控制器和以专业芯片(asic)作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于pc总线的以dsp和fpga作为核心处理器的开放式运动控制器。同时，将运动控制技术与网络技术有机结合是当前一个新的研究发展方向。在一般的控制器与驱动器的控制架构下，存在配线多、同步特性差、非全数字化等缺点，而且很难由外界控制器度曲并实时调整伺服参数。随着以太网技术的发展与运用，可以运用网络通讯的方案来解决传统运动控制架构中的问题。例如在串行运动控制网络中，ieee-1394、sercos-ⅱ等通讯协议被广泛采用，它们的硬件传输媒介主要是rs-485、光纤、fire wire和以太网。
　　结语
　　运动控制器的应用已经遍及众多领域，特别是在交流伺服和多轴控制系统中。它能够充分利用计算机资源，方便地帮助用户实现运动轨迹规划、完成既定运动和高精度的伺服控制。运动控制技术将不断和交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术等相结合，促使我国机电一体化技术不断提高。