通用運動控制技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展及其應(yīng)用
摘要：運動控制技術(shù)的發(fā)展是制造自動化前進的旋律，是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。運動控制器
已經(jīng)從以單片機或微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制
器，發(fā)展到了基于PC 總線的以DSP 和FPGA 作為核心處理器的開放式運動控制器。運動控制技術(shù)也
由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用運動控制技術(shù)而發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重
組的先進運動控制技術(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的通用運動控制器逐步成為自動化控制
領(lǐng)域里的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。高速、高精度始終是運動控制技術(shù)追求的目標。充分利用DSP 的計算能力，
進行復(fù)雜的運動規(guī)劃、高速實時多軸插補、誤差補償和更復(fù)雜的運動學(xué)、動力學(xué)計算，使得運動控制
精度更高、速度更快、運動更加平穩(wěn)；充分利用DSP 和FPGA 技術(shù)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加開放，根據(jù)用
戶的應(yīng)用要求進行客制化的重組，設(shè)計出個性化的運動控制器將成為市場應(yīng)用的兩大方向。
關(guān)鍵詞：運動控制技術(shù)，運動控制器，點位控制，連續(xù)軌跡控制，同步控制
1 通用運動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
運動控制起源于早期的伺服控制 (Servomechanism)。簡單地說，運動控制就是對機械
運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參
數(shù)進行運動。早期的運動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控（CNC）技術(shù)、機器人技術(shù)（Robotics）
和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控
制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨立完成運動控制功能、工藝技術(shù)要
求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行（Stand-alone）的運動控制器。
這類控制器主要針對專門的數(shù)控機械和其他自動化設(shè)備而設(shè)計，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工
藝要求設(shè)計了相關(guān)的功能，用戶只需要按照其協(xié)議要求編寫應(yīng)用加工代碼文件，利用RS232
或者DNC 方式傳輸?shù)娇刂破鳎刂破骷纯赏瓿上嚓P(guān)的動作。這類控制器往往不能離開其特
定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不
能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運動控制系統(tǒng)。通用運動控制器的發(fā)展成為市場的必然需求。
由國家組織的開放式運動控制系統(tǒng)的研究始于1987 年，美國空軍在美國政府資助下發(fā)
表了著名的“NGC（下一代控制器）研究計劃”，該計劃首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的
概念，這個計劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標準規(guī)格(OSACA)”。自1996
年開始，美國幾個大的科研機構(gòu)對NGC 計劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究內(nèi)容[3]，如在美國海軍
支持下，美國國際標準研究院提出了“EMC（增強型機床控制器）”；由美國通用、福特和
克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了“OMAC（開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器）”，其目
的是用更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)使制造系統(tǒng)更加具有柔性、更加敏捷。該計劃啟動
后不久便公布了一個名為“OMAC APT”的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項目的運行。
通用運動控制技術(shù)作為自動化技術(shù)的一個重要分支，在20 世紀90 年代，國際上發(fā)達
國家，例如美國進入快速發(fā)展的階段。由于有強勁市場需求的推動，通用運動控制技術(shù)發(fā)
展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來，隨著通用運動控制技術(shù)的不斷進步和完善，通用運動控制器
作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且它已經(jīng)達
到一個引人矚目的市場規(guī)模。根據(jù)ARC 近期的一份研究，世界通用運動控制（General Motion
Control GMC）市場已超過40 億美元，并且有望在未來5 年內(nèi)綜合增長率達到6.3％。
目前，通用運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類：
⑴ 基于計算機標準總線的運動控制器，它是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨立于計算機的運
動控制器與計算機相結(jié)合構(gòu)成。這種運動控制器大都采用DSP 或微機芯片作為CPU，
可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動、外部I/O 之間的標準化通
用接口功能，它開放的函數(shù)庫可供用戶根據(jù)不同的需求，在DOS 或WINDOWS 等平
臺下自行開發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。如美國Deltatau 公司的PMAC 多軸運動
控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT 系列運動控制器產(chǎn)品等。目前這種運動控制
器是市場上的主流產(chǎn)品。
⑵ Soft 型開放式運動控制器，它提供給用戶最大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝
在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O 之間的標準化通用接口。就
像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM 和相應(yīng)的驅(qū)動程序一樣。用戶可以在
WINDOWS 平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運動控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控
制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。
基于Soft 型開放式運動控制器開發(fā)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
控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO 系列運動控制器產(chǎn)品等。Soft 型開放式運動
控制的特點是開發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個性化的
開發(fā)平臺。
⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種
產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通信依然是靠計算機總線，實質(zhì)
上是基于總線結(jié)構(gòu)的運動控制器的一種變種。對于標準總線的計算機模塊，這種產(chǎn)品
采用了更加可靠的總線連接方式（采用針式連接器），更加適合工業(yè)應(yīng)用。在使用中，
采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、SERCOS、PROFIBUS 等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級計算
機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過Internet
進行遠程診斷。例如美國ADEPT 公司的SmartController，固高科技公司的GU 嵌入式
運動控制平臺系列產(chǎn)品等。
我國在運動控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對落后，1999 年固高科技（深圳）有限公司在深圳
成立，她是國內(nèi)第一家專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器產(chǎn)品的公司。其后，國內(nèi)又有其
他幾家公司進入該領(lǐng)域，但實際上，大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運動控制器產(chǎn)品，真正
進行自主開發(fā)的公司較少。“八五”期間，我國廣大科研工作者也成功開發(fā)了兩種數(shù)控平臺
和華中Ⅰ型、藍天Ⅰ型、航天Ⅰ型、中華Ⅰ型等4 種基本系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化，嵌
入式的軟、硬件結(jié)構(gòu)。其中以華中Ⅰ型較具代表性，它采用工業(yè)PC 機上插接口卡的結(jié)構(gòu)，
運行在DOS 平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴展和伸縮性。但從整體
來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨立的開放式運動控制器產(chǎn)品。目前，我國是世界上經(jīng)濟
發(fā)展最快的國家，市場上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級、換代對運動控制器的市
場需求越來越大。另外由于市場日益競爭的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運動控制
系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。同時，經(jīng)濟型數(shù)控市場占有率正在逐漸減小。在這樣的形勢下，
我國可以抓住這一機遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開
放式運動控制器產(chǎn)品。
2 通用運動控制器在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展
自20 世紀80 年代初期，通用運動控制器已經(jīng)開始在國外多個行業(yè)應(yīng)用，尤其是在微
電子行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛。而當時運動控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒
有廠商開發(fā)出通用的運動控制器產(chǎn)品。1999 年，固高科技（深圳）有限公司開始從事專業(yè)
開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器產(chǎn)品。
目前，國內(nèi)的運動控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類：
⑴ 以單片機或微處理器作為核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢，精度不高，
成本相對較低。在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場
合應(yīng)用。
⑵ 以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，
但這類運動控制器大多數(shù)只能輸出脈沖信號，工作于開環(huán)控制方式。這類控制器對單
軸的點位控制場合是基本滿足要求的，但對于要求多軸協(xié)調(diào)運動和高速軌跡插補控制
的設(shè)備，這類運動控制器不能滿足要求。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補功能，也
沒有前瞻功能（Look ahead），特別是對于大量的小線段連續(xù)運動的場合，如模具雕刻，
不能使用這類控制器。另外，由于硬件資源的限制，這類控制器的圓弧插補算法通常
都采用逐點比較法，這樣一來圓弧插補的精度也不高。
⑶ 基于PC 總線的以DSP 和FPGA 作為核心處理器的開放式運動控制器。這類開放式
運動控制器以DSP 芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC 機作為信息處理平臺，
運動控制器以插卡形式嵌入PC 機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣將PC 機的信
息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具
有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。這類運動控
制器充分利用了DSP 的高速數(shù)據(jù)處理功能和FPGA 的超強邏輯處理能力，便于設(shè)計出
功能完善、性能優(yōu)越的運動控制器。這類運動控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運
動控制與復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)?BR>現(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用FPGA 技術(shù)來進行硬件設(shè)計，方便運動控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶
的特殊工藝要求和技術(shù)要求進行個性化的定制，形成獨特的產(chǎn)品。
以上第一類運動控制器由于其性能的限制，在市場上所占份額較少，主要應(yīng)用于一些
單軸簡單運動的場合，往往還面臨同PLC 廠商提供的定位控制模塊的激烈競爭。第二類運
動控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，占有一定的市場份額，但由于其專用芯片（ASIC）能
提供運動控制的基本功能，用戶可以利用該芯片設(shè)計專用的控制器而分薄了這類運動控制
器的市場份額。第三類運動控制器是目前國類運動控制器產(chǎn)品的主流，目前國外開放式運
動控制器產(chǎn)品已經(jīng)開始大量進入中國；固高科技（深圳）有限公司相繼開發(fā)出GO、GT、
GH 和GU 系列基于DSP 的開放式運動控制器產(chǎn)品，有近150 個品種可供用戶選擇；應(yīng)用
也從傳統(tǒng)的機床數(shù)控擴展到了如激光加工、服裝、紡織、印染、電子加工等多個領(lǐng)域，市
場規(guī)模也有較大的增長。
根據(jù)運動控制的特點和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將運動控制分成以下幾種形式：
⑴ 點位運動控制：這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即
運動軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運動控制器要求具有快速的定位速度，在運動的加速段和減速
段，采用不同的加減速控制策略。在加速運動時，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速
度，往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度，在減速的末段采用S 曲線減速的控制策略。為
了防止系統(tǒng)到位后震動，規(guī)劃到位后，又會適當減小系統(tǒng)的增益。所以，點位運動控
制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。
⑵ 連續(xù)軌跡運動控制：又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運
動輪廓控制。相應(yīng)的運動控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運動的情況下，既
要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定。對小線
段加工時，有多段程序預(yù)處理功能。
⑶ 同步運動控制：是指多個軸之間的運動協(xié)調(diào)控制，可以是多個軸在運動全程中進行
同步，也可以是在運動過程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電
子凸輪功能的系統(tǒng)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(yīng)的運動控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相
位，來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，
保證系統(tǒng)的同步控制。
固高科技公司從開發(fā)應(yīng)用的角度把其產(chǎn)品相應(yīng)地分成三類，他們是點位運動控制器，
連續(xù)軌跡運動控制器和同步運動控制器。從目前國內(nèi)市場的應(yīng)用情況反饋來看，按照不同
的運動特點和行業(yè)應(yīng)用進行產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣，具有一定的優(yōu)勢。
固高科技公司的通用運動控制器產(chǎn)品采用以DSP 為核心，結(jié)合FPGA 現(xiàn)場邏輯可編程
器件的靈活性完成運動控制的硬件架構(gòu)。運動控制過程中，由DSP 實現(xiàn)運動規(guī)劃，多軸插
補、伺服控制濾波等數(shù)據(jù)運算和實時控制管理。FPGA 邏輯可編程器件和其他相關(guān)器件組成
伺服控制和位置反饋硬件接口。為了滿足市場需求，使運動控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_
放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，固高科技公司的GT 系列產(chǎn)品考慮了用戶可以將自己設(shè)計的
控制算法加載到運動控制器的內(nèi)存中，而無需改
變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以重新構(gòu)造一個特
殊用途的運動控制器。
根據(jù)不同的應(yīng)用場合和對象，固高科技公司
的運動控制器采用多種改進型的PID 控制算法，
例如綜合了積分分離的PID 控制算法；帶死區(qū)
的PID 控制算法等。在運動控制領(lǐng)域中，比例、
積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器以其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性
高等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。而且PID 控制與
其它控制算法結(jié)合，形成了許多有價值的控制策
略，例如自適應(yīng)PID 控制、智能PID 控制等。傳統(tǒng)的PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其輸入、
輸出關(guān)系可表示為：
Kp
I K
dt ò
d
d
K
dt
+
+
+ e(t) m(t)
圖1 PID 控制器結(jié)構(gòu)
0
( )
() () ( ) t
p I D
de t
mt K et K e t dt K
dt
= + + ò
上式中，Kp、KI、KD 分別為比例、積分、微分增益，e(t)為偏差控制信號，m(t)為控制器
輸出。對強耦合、周期性、多頻擾動等運動控制精度要求高的場合，常規(guī)PID 調(diào)節(jié)就難以
得到滿意的控制效果。對于周期性、多頻擾動常見的控制方法有以下幾種：
(1) 學(xué)習(xí)控制是一種通過重復(fù)的試運行來形成目標輸入，從而在有限時間內(nèi)產(chǎn)生所需
輸出的方法，它被認為是一種對目標輸入的逆系統(tǒng)進行反復(fù)生成的方法。
(2) 自適應(yīng)前饋控制是通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個與
干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾。
(3) 內(nèi)模控制（Internal Model Control）是將干擾模型包含在反饋環(huán)內(nèi)，控制器的設(shè)計
主要是選擇一個適當?shù)膫鬟f函數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有期望的輸入、輸出性
能，以抑制周期性干擾。這種方法還可處理多頻干擾問題。
(4) 重復(fù)控制則是采用內(nèi)模原理，通過建立重復(fù)補償器和穩(wěn)定化補償器，使系統(tǒng)具有
內(nèi)部穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)魯棒性，進而抑制周期性干擾。
由于運動控制器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，為了適應(yīng)新的情況、特定環(huán)境和對象，不斷
會有新的運動規(guī)劃、多軸插補和控制濾波算法出現(xiàn)。
運動控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化的“制器之技”，運動控制器不但在傳統(tǒng)的機械數(shù)控行業(yè)
有著廣泛的應(yīng)用，而且在新興的電子制造和信息產(chǎn)品的制造業(yè)中起著不可替代的作用。通
用運動控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置
控制技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊密相關(guān)。事實上，應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要
求，特別是一個行業(yè)的工藝技術(shù)要求也促進了運動控制器的功能的發(fā)展。通用運動控制器
的許多功能都是同工藝技術(shù)要求密切相關(guān)的，通用運動控制器的應(yīng)用不但簡化了機械結(jié)構(gòu)
甚至簡化了生產(chǎn)工藝。通用運動控制器的主要功能在多個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用：
（1） 運動規(guī)劃功能 實際上是形成運動的速度和位置的基準量。合適的基準量不但
可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對傳動系統(tǒng)以及機械傳遞元件
的要求。通用運動控制器通常都提供基于對沖擊（Jerk）、加速度和速度等這些可
影響動態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運動規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函
數(shù)。對于加速度進行限制的運動規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對于沖擊進行限制的運
動規(guī)劃產(chǎn)生S 形速度曲線。一般說來，對于數(shù)控機床而言，采用加速度和速度基
準量限制的運動規(guī)劃方法，就足已獲得一種優(yōu)良的動態(tài)特性。對于高加速度、小
行程運動的快速定位系統(tǒng)如PCB 鉆床、SMT 機，其定位時間和超調(diào)量都有嚴格的
要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運動規(guī)劃方法。
（2） 多軸插補、連續(xù)插補功能 通用運動控制器提供的多軸插補功能在數(shù)控機械行
業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，由于雕刻機市場，特別是模具雕刻機市場的快速
發(fā)展，推動了運動控制器的連續(xù)插補功能的發(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盡可能小，速度的變化的拐點要平滑過渡，這
樣要求運動控制器由速度前瞻（Look ahead）和連續(xù)插補的功能。固高科技公司推
出了專門應(yīng)用于小線段加工工藝的連續(xù)插補型運動控制器，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。
（3） 電子齒輪與電子凸輪功能 不但可以大大地簡化機械設(shè)計，而且可以實現(xiàn)許多
機械齒輪與凸輪難以實現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實現(xiàn)多個運動軸按設(shè)定的齒輪比
同步運動，這使得運動控制器在定長剪切（fixed-length cutting）和無軸傳動的套色
印刷方面有很好的應(yīng)用。另外，電子齒輪功能還可以實現(xiàn)一個運動軸以設(shè)定的齒
輪比跟隨一個函數(shù)，而這個函數(shù)由其他的幾個運動軸的運動決定；一個軸也可以
以設(shè)定的比例跟隨其他兩個軸的合成速度。如工業(yè)縫紉機和絎縫機的應(yīng)用中，Z
軸（縫線軸）可以跟隨XY 軸（移動軸）的合成速度，從而使縫針腳距均勻。電
子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機械凸輪，極大地簡化了加工
工藝。這個功能使運動控制器在機械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機驅(qū)
動彈簧機等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。
（4） 比較輸出功能 是指在運動過程中，位置到達設(shè)定的坐標點時，運動控制器輸
出一個或多個開關(guān)量，而運動過程不受影響。如在AOI 的飛行檢測（Flying
inspection）中，運動控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運行到設(shè)定的位置即啟動CCD
快速攝像，而運動并不受影響，這樣極大地提高了效率，改善了圖像質(zhì)量。另外，
在激光雕刻應(yīng)用中，固高科技公司的通用運動控制器的這項功能也獲得了很好的
應(yīng)用。
（5） 探針信號鎖存功能 可以鎖存探針信號產(chǎn)生的時刻，各運動軸的位置，其精度
只與硬件電路相關(guān)，不受軟件和系統(tǒng)運動慣性的影響，在CMM 測量行業(yè)有良好
的應(yīng)用。
另外，越來越多的OEM 廠商希望將他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗集成到運動控制中
去，針對不同的應(yīng)用場合和控制對象，個性化設(shè)計運動控制器的功能。固高科技公司已經(jīng)
開發(fā)了通用運動控制器應(yīng)用開發(fā)平臺，使通用運動控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_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)計的控制算法加載到運動控制器的內(nèi)存中，而無
需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以重新構(gòu)造一個特殊用途的專用運動控制器。
今后基于計算機標準總線的運動控制器仍然是市場的主流，但是，基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式
運動控制器會有較大的發(fā)展。基于計算機標準總線的通用運動控制器主要是板卡結(jié)構(gòu)，采
用的總線大都為ISA、PCI。由于它們的應(yīng)用依附于通用PC 計算機平臺，從工業(yè)控制的角
度分析，這種運動控制器的優(yōu)缺點如下。
優(yōu)點：
(1) 硬件組成簡單，把運動控制器插入PC 總線，連接信號線就可組成系統(tǒng)；
(2) 可以使用PC 機已經(jīng)具有的豐富軟件進行開發(fā)；
(3) 運動控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；
(4) 可以進行開發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進行開發(fā)。
缺點：
(1) 采用板卡結(jié)構(gòu)的運動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（振動，粉塵，油污嚴重），不適宜長期工作。
(2) PC 資源浪費。由于PC 的捆綁方式銷售，用戶實際上僅使用少部分PC 資源，未使
用的PC 資源不但造成閑置和浪費，還帶來維護上的麻煩。
(3) 整體可靠性難以保證，由于PC 的選擇可以是工控機，也可以是商用機。系統(tǒng)集成
后，可靠性差異很大。并不是由運動控制器能保證的。
(4) 難以突出行業(yè)特點。不同行業(yè)、不同設(shè)備其控制面板均有不同的特色和個性。
嵌入式PC 的運動控制器能夠克服以上缺點。這種產(chǎn)品會有較好的市場前景。由于SOM
（system on module）和SOC（system on chip）技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式PC 運動控制器獲
得了良好的發(fā)展。嵌入式運動控制器產(chǎn)品可以很方便地將在PC 上開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，不加任
何改動就可以很方便地移植過來。作為用戶來講，他們僅僅開發(fā)跟其具體項目有關(guān)、相對
獨立的人機界面就可以了。由于嵌入式PC 的運動控制平臺具有標準PC 的接口功能，用戶
不需要再購買工業(yè)PC 就能很方便的組成他們自己的系統(tǒng)。這種嵌入式運動控制器既提高了
整個系統(tǒng)的可靠性，有時系統(tǒng)更加簡潔和高度集成化。
隨著工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制器獲得了極大的發(fā)展，并已
經(jīng)開始應(yīng)用于多軸同步控制中。越來越多的傳統(tǒng)的以機械軸同步的系統(tǒng)開始采用網(wǎng)絡(luò)運動
控制器控制的電機軸控制，這樣可以減少系統(tǒng)地維護和增加系統(tǒng)的柔性。
由于我國的特殊市場需求，一些其它的專用運動控制系統(tǒng)也會越來越多。例如圖象伺
服控制的專用運動控制器，力伺服的專用運動控制器等。根據(jù)用戶的應(yīng)用要求進行客制化
的重構(gòu)，設(shè)計出個性化的運動控制器將成為市場應(yīng)用的一大方向。
一個典型的運動控制系統(tǒng)主要由運動部件、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動器和運動控制
器構(gòu)成，整個系統(tǒng)的運動指令有運動控制器給出，因此運動控制器是整個運動控制系統(tǒng)的
靈魂。用戶必需使用通用運動控制器提供的標準功能進行二次開發(fā)，根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)
的工藝條件，應(yīng)用運動控制器的相關(guān)功能，開發(fā)出集成了自己的工藝特點和行業(yè)經(jīng)驗的應(yīng)
用系統(tǒng)。同時，用戶還需要了解構(gòu)成運動控制系統(tǒng)的其他部件，必須保證機械系統(tǒng)的完備，
才能集成出高質(zhì)量的運動控制系統(tǒng)。從我國的經(jīng)濟發(fā)展的情況來看，通用運動控制器的應(yīng)
用和市場僅僅是剛剛啟動。與美國和歐洲發(fā)達國家相比，我國在運動控制器技術(shù)開發(fā)上政
府的投入很少，在該領(lǐng)域沒有形成統(tǒng)一的產(chǎn)品標準。高等院校的教育還沒有跟上，沒有培
養(yǎng)出一大批能夠開發(fā)和應(yīng)用運動控制器的人才。在市場推廣過程中碰到的最大困難就是國
內(nèi)的系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商缺乏應(yīng)用工程師。使得運動控制器的應(yīng)用工作受阻，售后技
術(shù)支持難度加大。因此，快速培養(yǎng)一大批運動控制器的開發(fā)應(yīng)用人才是加快新的技術(shù)革命
和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵。
已經(jīng)從以單片機或微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制
器，發(fā)展到了基于PC 總線的以DSP 和FPGA 作為核心處理器的開放式運動控制器。運動控制技術(shù)也
由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用運動控制技術(shù)而發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重
組的先進運動控制技術(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的通用運動控制器逐步成為自動化控制
領(lǐng)域里的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。高速、高精度始終是運動控制技術(shù)追求的目標。充分利用DSP 的計算能力，
進行復(fù)雜的運動規(guī)劃、高速實時多軸插補、誤差補償和更復(fù)雜的運動學(xué)、動力學(xué)計算，使得運動控制
精度更高、速度更快、運動更加平穩(wěn)；充分利用DSP 和FPGA 技術(shù)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加開放，根據(jù)用
戶的應(yīng)用要求進行客制化的重組，設(shè)計出個性化的運動控制器將成為市場應(yīng)用的兩大方向。
關(guān)鍵詞：運動控制技術(shù)，運動控制器，點位控制，連續(xù)軌跡控制，同步控制
1 通用運動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
運動控制起源于早期的伺服控制 (Servomechanism)。簡單地說，運動控制就是對機械
運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參
數(shù)進行運動。早期的運動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控（CNC）技術(shù)、機器人技術(shù)（Robotics）
和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控
制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨立完成運動控制功能、工藝技術(shù)要
求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行（Stand-alone）的運動控制器。
這類控制器主要針對專門的數(shù)控機械和其他自動化設(shè)備而設(shè)計，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工
藝要求設(shè)計了相關(guān)的功能，用戶只需要按照其協(xié)議要求編寫應(yīng)用加工代碼文件，利用RS232
或者DNC 方式傳輸?shù)娇刂破鳎刂破骷纯赏瓿上嚓P(guān)的動作。這類控制器往往不能離開其特
定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不
能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運動控制系統(tǒng)。通用運動控制器的發(fā)展成為市場的必然需求。
由國家組織的開放式運動控制系統(tǒng)的研究始于1987 年，美國空軍在美國政府資助下發(fā)
表了著名的“NGC（下一代控制器）研究計劃”，該計劃首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的
概念，這個計劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標準規(guī)格(OSACA)”。自1996
年開始，美國幾個大的科研機構(gòu)對NGC 計劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究內(nèi)容[3]，如在美國海軍
支持下，美國國際標準研究院提出了“EMC（增強型機床控制器）”；由美國通用、福特和
克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了“OMAC（開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器）”，其目
的是用更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)使制造系統(tǒng)更加具有柔性、更加敏捷。該計劃啟動
后不久便公布了一個名為“OMAC APT”的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項目的運行。
通用運動控制技術(shù)作為自動化技術(shù)的一個重要分支，在20 世紀90 年代，國際上發(fā)達
國家，例如美國進入快速發(fā)展的階段。由于有強勁市場需求的推動，通用運動控制技術(shù)發(fā)
展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來，隨著通用運動控制技術(shù)的不斷進步和完善，通用運動控制器
作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且它已經(jīng)達
到一個引人矚目的市場規(guī)模。根據(jù)ARC 近期的一份研究，世界通用運動控制（General Motion
Control GMC）市場已超過40 億美元，并且有望在未來5 年內(nèi)綜合增長率達到6.3％。
目前，通用運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類：
⑴ 基于計算機標準總線的運動控制器，它是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨立于計算機的運
動控制器與計算機相結(jié)合構(gòu)成。這種運動控制器大都采用DSP 或微機芯片作為CPU，
可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動、外部I/O 之間的標準化通
用接口功能，它開放的函數(shù)庫可供用戶根據(jù)不同的需求，在DOS 或WINDOWS 等平
臺下自行開發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。如美國Deltatau 公司的PMAC 多軸運動
控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT 系列運動控制器產(chǎn)品等。目前這種運動控制
器是市場上的主流產(chǎn)品。
⑵ Soft 型開放式運動控制器，它提供給用戶最大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝
在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O 之間的標準化通用接口。就
像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM 和相應(yīng)的驅(qū)動程序一樣。用戶可以在
WINDOWS 平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運動控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控
制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。
基于Soft 型開放式運動控制器開發(fā)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
控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO 系列運動控制器產(chǎn)品等。Soft 型開放式運動
控制的特點是開發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個性化的
開發(fā)平臺。
⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種
產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通信依然是靠計算機總線，實質(zhì)
上是基于總線結(jié)構(gòu)的運動控制器的一種變種。對于標準總線的計算機模塊，這種產(chǎn)品
采用了更加可靠的總線連接方式（采用針式連接器），更加適合工業(yè)應(yīng)用。在使用中，
采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、SERCOS、PROFIBUS 等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級計算
機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過Internet
進行遠程診斷。例如美國ADEPT 公司的SmartController，固高科技公司的GU 嵌入式
運動控制平臺系列產(chǎn)品等。
我國在運動控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對落后，1999 年固高科技（深圳）有限公司在深圳
成立，她是國內(nèi)第一家專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器產(chǎn)品的公司。其后，國內(nèi)又有其
他幾家公司進入該領(lǐng)域，但實際上，大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運動控制器產(chǎn)品，真正
進行自主開發(fā)的公司較少。“八五”期間，我國廣大科研工作者也成功開發(fā)了兩種數(shù)控平臺
和華中Ⅰ型、藍天Ⅰ型、航天Ⅰ型、中華Ⅰ型等4 種基本系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化，嵌
入式的軟、硬件結(jié)構(gòu)。其中以華中Ⅰ型較具代表性，它采用工業(yè)PC 機上插接口卡的結(jié)構(gòu)，
運行在DOS 平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴展和伸縮性。但從整體
來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨立的開放式運動控制器產(chǎn)品。目前，我國是世界上經(jīng)濟
發(fā)展最快的國家，市場上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級、換代對運動控制器的市
場需求越來越大。另外由于市場日益競爭的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運動控制
系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。同時，經(jīng)濟型數(shù)控市場占有率正在逐漸減小。在這樣的形勢下，
我國可以抓住這一機遇，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開
放式運動控制器產(chǎn)品。
2 通用運動控制器在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展
自20 世紀80 年代初期，通用運動控制器已經(jīng)開始在國外多個行業(yè)應(yīng)用，尤其是在微
電子行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛。而當時運動控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒
有廠商開發(fā)出通用的運動控制器產(chǎn)品。1999 年，固高科技（深圳）有限公司開始從事專業(yè)
開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器產(chǎn)品。
目前，國內(nèi)的運動控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類：
⑴ 以單片機或微處理器作為核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢，精度不高，
成本相對較低。在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場
合應(yīng)用。
⑵ 以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，
但這類運動控制器大多數(shù)只能輸出脈沖信號，工作于開環(huán)控制方式。這類控制器對單
軸的點位控制場合是基本滿足要求的，但對于要求多軸協(xié)調(diào)運動和高速軌跡插補控制
的設(shè)備，這類運動控制器不能滿足要求。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補功能，也
沒有前瞻功能（Look ahead），特別是對于大量的小線段連續(xù)運動的場合，如模具雕刻，
不能使用這類控制器。另外，由于硬件資源的限制，這類控制器的圓弧插補算法通常
都采用逐點比較法，這樣一來圓弧插補的精度也不高。
⑶ 基于PC 總線的以DSP 和FPGA 作為核心處理器的開放式運動控制器。這類開放式
運動控制器以DSP 芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC 機作為信息處理平臺，
運動控制器以插卡形式嵌入PC 機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣將PC 機的信
息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具
有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。這類運動控
制器充分利用了DSP 的高速數(shù)據(jù)處理功能和FPGA 的超強邏輯處理能力，便于設(shè)計出
功能完善、性能優(yōu)越的運動控制器。這類運動控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運
動控制與復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)?BR>現(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用FPGA 技術(shù)來進行硬件設(shè)計，方便運動控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶
的特殊工藝要求和技術(shù)要求進行個性化的定制，形成獨特的產(chǎn)品。
以上第一類運動控制器由于其性能的限制，在市場上所占份額較少，主要應(yīng)用于一些
單軸簡單運動的場合，往往還面臨同PLC 廠商提供的定位控制模塊的激烈競爭。第二類運
動控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，占有一定的市場份額，但由于其專用芯片（ASIC）能
提供運動控制的基本功能，用戶可以利用該芯片設(shè)計專用的控制器而分薄了這類運動控制
器的市場份額。第三類運動控制器是目前國類運動控制器產(chǎn)品的主流，目前國外開放式運
動控制器產(chǎn)品已經(jīng)開始大量進入中國；固高科技（深圳）有限公司相繼開發(fā)出GO、GT、
GH 和GU 系列基于DSP 的開放式運動控制器產(chǎn)品，有近150 個品種可供用戶選擇；應(yīng)用
也從傳統(tǒng)的機床數(shù)控擴展到了如激光加工、服裝、紡織、印染、電子加工等多個領(lǐng)域，市
場規(guī)模也有較大的增長。
根據(jù)運動控制的特點和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將運動控制分成以下幾種形式：
⑴ 點位運動控制：這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即
運動軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運動控制器要求具有快速的定位速度，在運動的加速段和減速
段，采用不同的加減速控制策略。在加速運動時，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速
度，往往提高系統(tǒng)增益和加大加速度，在減速的末段采用S 曲線減速的控制策略。為
了防止系統(tǒng)到位后震動，規(guī)劃到位后，又會適當減小系統(tǒng)的增益。所以，點位運動控
制器往往具有在線可變控制參數(shù)和可變加減速曲線的能力。
⑵ 連續(xù)軌跡運動控制：又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運
動輪廓控制。相應(yīng)的運動控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運動的情況下，既
要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定。對小線
段加工時，有多段程序預(yù)處理功能。
⑶ 同步運動控制：是指多個軸之間的運動協(xié)調(diào)控制，可以是多個軸在運動全程中進行
同步，也可以是在運動過程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電
子凸輪功能的系統(tǒng)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(yīng)的運動控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相
位，來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，
保證系統(tǒng)的同步控制。
固高科技公司從開發(fā)應(yīng)用的角度把其產(chǎn)品相應(yīng)地分成三類，他們是點位運動控制器，
連續(xù)軌跡運動控制器和同步運動控制器。從目前國內(nèi)市場的應(yīng)用情況反饋來看，按照不同
的運動特點和行業(yè)應(yīng)用進行產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣，具有一定的優(yōu)勢。
固高科技公司的通用運動控制器產(chǎn)品采用以DSP 為核心，結(jié)合FPGA 現(xiàn)場邏輯可編程
器件的靈活性完成運動控制的硬件架構(gòu)。運動控制過程中，由DSP 實現(xiàn)運動規(guī)劃，多軸插
補、伺服控制濾波等數(shù)據(jù)運算和實時控制管理。FPGA 邏輯可編程器件和其他相關(guān)器件組成
伺服控制和位置反饋硬件接口。為了滿足市場需求，使運動控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_
放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，固高科技公司的GT 系列產(chǎn)品考慮了用戶可以將自己設(shè)計的
控制算法加載到運動控制器的內(nèi)存中，而無需改
變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以重新構(gòu)造一個特
殊用途的運動控制器。
根據(jù)不同的應(yīng)用場合和對象，固高科技公司
的運動控制器采用多種改進型的PID 控制算法，
例如綜合了積分分離的PID 控制算法；帶死區(qū)
的PID 控制算法等。在運動控制領(lǐng)域中，比例、
積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器以其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性
高等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。而且PID 控制與
其它控制算法結(jié)合，形成了許多有價值的控制策
略，例如自適應(yīng)PID 控制、智能PID 控制等。傳統(tǒng)的PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其輸入、
輸出關(guān)系可表示為：
Kp
I K
dt ò
d
d
K
dt
+
+
+ e(t) m(t)
圖1 PID 控制器結(jié)構(gòu)
0
( )
() () ( ) t
p I D
de t
mt K et K e t dt K
dt
= + + ò
上式中，Kp、KI、KD 分別為比例、積分、微分增益，e(t)為偏差控制信號，m(t)為控制器
輸出。對強耦合、周期性、多頻擾動等運動控制精度要求高的場合，常規(guī)PID 調(diào)節(jié)就難以
得到滿意的控制效果。對于周期性、多頻擾動常見的控制方法有以下幾種：
(1) 學(xué)習(xí)控制是一種通過重復(fù)的試運行來形成目標輸入，從而在有限時間內(nèi)產(chǎn)生所需
輸出的方法，它被認為是一種對目標輸入的逆系統(tǒng)進行反復(fù)生成的方法。
(2) 自適應(yīng)前饋控制是通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個與
干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾。
(3) 內(nèi)模控制（Internal Model Control）是將干擾模型包含在反饋環(huán)內(nèi)，控制器的設(shè)計
主要是選擇一個適當?shù)膫鬟f函數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有期望的輸入、輸出性
能，以抑制周期性干擾。這種方法還可處理多頻干擾問題。
(4) 重復(fù)控制則是采用內(nèi)模原理，通過建立重復(fù)補償器和穩(wěn)定化補償器，使系統(tǒng)具有
內(nèi)部穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)魯棒性，進而抑制周期性干擾。
由于運動控制器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，為了適應(yīng)新的情況、特定環(huán)境和對象，不斷
會有新的運動規(guī)劃、多軸插補和控制濾波算法出現(xiàn)。
運動控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化的“制器之技”，運動控制器不但在傳統(tǒng)的機械數(shù)控行業(yè)
有著廣泛的應(yīng)用，而且在新興的電子制造和信息產(chǎn)品的制造業(yè)中起著不可替代的作用。通
用運動控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置
控制技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊密相關(guān)。事實上，應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要
求，特別是一個行業(yè)的工藝技術(shù)要求也促進了運動控制器的功能的發(fā)展。通用運動控制器
的許多功能都是同工藝技術(shù)要求密切相關(guān)的，通用運動控制器的應(yīng)用不但簡化了機械結(jié)構(gòu)
甚至簡化了生產(chǎn)工藝。通用運動控制器的主要功能在多個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用：
（1） 運動規(guī)劃功能 實際上是形成運動的速度和位置的基準量。合適的基準量不但
可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對傳動系統(tǒng)以及機械傳遞元件
的要求。通用運動控制器通常都提供基于對沖擊（Jerk）、加速度和速度等這些可
影響動態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運動規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函
數(shù)。對于加速度進行限制的運動規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對于沖擊進行限制的運
動規(guī)劃產(chǎn)生S 形速度曲線。一般說來，對于數(shù)控機床而言，采用加速度和速度基
準量限制的運動規(guī)劃方法，就足已獲得一種優(yōu)良的動態(tài)特性。對于高加速度、小
行程運動的快速定位系統(tǒng)如PCB 鉆床、SMT 機，其定位時間和超調(diào)量都有嚴格的
要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運動規(guī)劃方法。
（2） 多軸插補、連續(xù)插補功能 通用運動控制器提供的多軸插補功能在數(shù)控機械行
業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，由于雕刻機市場，特別是模具雕刻機市場的快速
發(fā)展，推動了運動控制器的連續(xù)插補功能的發(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盡可能小，速度的變化的拐點要平滑過渡，這
樣要求運動控制器由速度前瞻（Look ahead）和連續(xù)插補的功能。固高科技公司推
出了專門應(yīng)用于小線段加工工藝的連續(xù)插補型運動控制器，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。
（3） 電子齒輪與電子凸輪功能 不但可以大大地簡化機械設(shè)計，而且可以實現(xiàn)許多
機械齒輪與凸輪難以實現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實現(xiàn)多個運動軸按設(shè)定的齒輪比
同步運動，這使得運動控制器在定長剪切（fixed-length cutting）和無軸傳動的套色
印刷方面有很好的應(yīng)用。另外，電子齒輪功能還可以實現(xiàn)一個運動軸以設(shè)定的齒
輪比跟隨一個函數(shù)，而這個函數(shù)由其他的幾個運動軸的運動決定；一個軸也可以
以設(shè)定的比例跟隨其他兩個軸的合成速度。如工業(yè)縫紉機和絎縫機的應(yīng)用中，Z
軸（縫線軸）可以跟隨XY 軸（移動軸）的合成速度，從而使縫針腳距均勻。電
子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機械凸輪，極大地簡化了加工
工藝。這個功能使運動控制器在機械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機驅(qū)
動彈簧機等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。
（4） 比較輸出功能 是指在運動過程中，位置到達設(shè)定的坐標點時，運動控制器輸
出一個或多個開關(guān)量，而運動過程不受影響。如在AOI 的飛行檢測（Flying
inspection）中，運動控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運行到設(shè)定的位置即啟動CCD
快速攝像，而運動并不受影響，這樣極大地提高了效率，改善了圖像質(zhì)量。另外，
在激光雕刻應(yīng)用中，固高科技公司的通用運動控制器的這項功能也獲得了很好的
應(yīng)用。
（5） 探針信號鎖存功能 可以鎖存探針信號產(chǎn)生的時刻，各運動軸的位置，其精度
只與硬件電路相關(guān)，不受軟件和系統(tǒng)運動慣性的影響，在CMM 測量行業(yè)有良好
的應(yīng)用。
另外，越來越多的OEM 廠商希望將他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗集成到運動控制中
去，針對不同的應(yīng)用場合和控制對象，個性化設(shè)計運動控制器的功能。固高科技公司已經(jīng)
開發(fā)了通用運動控制器應(yīng)用開發(fā)平臺，使通用運動控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_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)計的控制算法加載到運動控制器的內(nèi)存中，而無
需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就可以重新構(gòu)造一個特殊用途的專用運動控制器。
今后基于計算機標準總線的運動控制器仍然是市場的主流，但是，基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式
運動控制器會有較大的發(fā)展。基于計算機標準總線的通用運動控制器主要是板卡結(jié)構(gòu)，采
用的總線大都為ISA、PCI。由于它們的應(yīng)用依附于通用PC 計算機平臺，從工業(yè)控制的角
度分析，這種運動控制器的優(yōu)缺點如下。
優(yōu)點：
(1) 硬件組成簡單，把運動控制器插入PC 總線，連接信號線就可組成系統(tǒng)；
(2) 可以使用PC 機已經(jīng)具有的豐富軟件進行開發(fā)；
(3) 運動控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；
(4) 可以進行開發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進行開發(fā)。
缺點：
(1) 采用板卡結(jié)構(gòu)的運動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（振動，粉塵，油污嚴重），不適宜長期工作。
(2) PC 資源浪費。由于PC 的捆綁方式銷售，用戶實際上僅使用少部分PC 資源，未使
用的PC 資源不但造成閑置和浪費，還帶來維護上的麻煩。
(3) 整體可靠性難以保證，由于PC 的選擇可以是工控機，也可以是商用機。系統(tǒng)集成
后，可靠性差異很大。并不是由運動控制器能保證的。
(4) 難以突出行業(yè)特點。不同行業(yè)、不同設(shè)備其控制面板均有不同的特色和個性。
嵌入式PC 的運動控制器能夠克服以上缺點。這種產(chǎn)品會有較好的市場前景。由于SOM
（system on module）和SOC（system on chip）技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式PC 運動控制器獲
得了良好的發(fā)展。嵌入式運動控制器產(chǎn)品可以很方便地將在PC 上開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，不加任
何改動就可以很方便地移植過來。作為用戶來講，他們僅僅開發(fā)跟其具體項目有關(guān)、相對
獨立的人機界面就可以了。由于嵌入式PC 的運動控制平臺具有標準PC 的接口功能，用戶
不需要再購買工業(yè)PC 就能很方便的組成他們自己的系統(tǒng)。這種嵌入式運動控制器既提高了
整個系統(tǒng)的可靠性，有時系統(tǒng)更加簡潔和高度集成化。
隨著工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制器獲得了極大的發(fā)展，并已
經(jīng)開始應(yīng)用于多軸同步控制中。越來越多的傳統(tǒng)的以機械軸同步的系統(tǒng)開始采用網(wǎng)絡(luò)運動
控制器控制的電機軸控制，這樣可以減少系統(tǒng)地維護和增加系統(tǒng)的柔性。
由于我國的特殊市場需求，一些其它的專用運動控制系統(tǒng)也會越來越多。例如圖象伺
服控制的專用運動控制器，力伺服的專用運動控制器等。根據(jù)用戶的應(yīng)用要求進行客制化
的重構(gòu)，設(shè)計出個性化的運動控制器將成為市場應(yīng)用的一大方向。
一個典型的運動控制系統(tǒng)主要由運動部件、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動器和運動控制
器構(gòu)成，整個系統(tǒng)的運動指令有運動控制器給出，因此運動控制器是整個運動控制系統(tǒng)的
靈魂。用戶必需使用通用運動控制器提供的標準功能進行二次開發(fā)，根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)
的工藝條件，應(yīng)用運動控制器的相關(guān)功能，開發(fā)出集成了自己的工藝特點和行業(yè)經(jīng)驗的應(yīng)
用系統(tǒng)。同時，用戶還需要了解構(gòu)成運動控制系統(tǒng)的其他部件，必須保證機械系統(tǒng)的完備，
才能集成出高質(zhì)量的運動控制系統(tǒng)。從我國的經(jīng)濟發(fā)展的情況來看，通用運動控制器的應(yīng)
用和市場僅僅是剛剛啟動。與美國和歐洲發(fā)達國家相比，我國在運動控制器技術(shù)開發(fā)上政
府的投入很少，在該領(lǐng)域沒有形成統(tǒng)一的產(chǎn)品標準。高等院校的教育還沒有跟上，沒有培
養(yǎng)出一大批能夠開發(fā)和應(yīng)用運動控制器的人才。在市場推廣過程中碰到的最大困難就是國
內(nèi)的系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商缺乏應(yīng)用工程師。使得運動控制器的應(yīng)用工作受阻，售后技
術(shù)支持難度加大。因此，快速培養(yǎng)一大批運動控制器的開發(fā)應(yīng)用人才是加快新的技術(shù)革命
和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵。
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