現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)中的控制器及應(yīng)用

運(yùn)動控制系統(tǒng)是以電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)多種多樣，但從基本結(jié)構(gòu)上看，一個典型的現(xiàn)代運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制器、功率驅(qū)動裝置、電動機(jī)和傳感器反饋檢測裝置和被控對象等幾部分組成，如圖1所示。電動機(jī)及其功率驅(qū)動裝置作為執(zhí)行器主要為被控對象提供動力，特別設(shè)計(jì)應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的電機(jī)稱之為伺服電機(jī)，通常內(nèi)含位置反饋裝置，如光電編碼器。目前主要應(yīng)用于工業(yè)界的伺服電機(jī)包括直流伺服電機(jī)、永磁交流伺服電機(jī)與感應(yīng)交流伺服電機(jī)，其中以永磁交流伺服電機(jī)占大多數(shù)。

運(yùn)動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(jī)或動力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置。其功能在于提供整個伺服系統(tǒng)的閉路控制，如位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等。

一、運(yùn)動控制器的分類

目前市場上的運(yùn)動控制器根據(jù)不同的方法有不同的分類。

（1）按被控對象分類

根據(jù)應(yīng)用場合被控對象的不同可分為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制器、伺服電機(jī)運(yùn)動控制器和既可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制又可以對交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制的運(yùn)動控制器。

（2）按結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類

· 基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動控制器

基于總線的運(yùn)動控制器是利用計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)，并結(jié)合用戶開發(fā)的運(yùn)動控制應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)的，具有高速的數(shù)據(jù)處理能力。總線形式上主要有ISA接口、PCI接口、VME接口、RS232接口和USB接口等。這種運(yùn)動控制器大都采用DSP或微機(jī)芯片作為CPU，可完成運(yùn)動規(guī)劃、高速實(shí)時插補(bǔ)、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動、外部IO之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口功能，同時隨控制器還提供功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制軟件庫C語言運(yùn)動函數(shù)庫、Windows DLL動態(tài)鏈接庫等，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)。

例如美國Deltatau公司的PMAC多軸運(yùn)動控制器，采用Motorola公司的高性能數(shù)字信號處理器DSP5600X作為CPU，可以最多同時控制8根軸，與各種類型的主機(jī)、放大器、電機(jī)和傳感器一起完成各種功能。英國阿沃德公司的TRIO運(yùn)動控制卡、固高科技（深圳）有限公司的GT系列運(yùn)動控制器產(chǎn)品和美國NI公司的NI系列運(yùn)動控制器等都是這類產(chǎn)品。

從用戶使用的角度來看，這些基于PC機(jī)的運(yùn)動控制器之間的差異主要是硬件接口（輸入輸出信號的種類、性能）和軟件接口（運(yùn)動控制函數(shù)庫的功能函數(shù)）。

· Soft型開放式運(yùn)動控制器

基于Soft型開放式運(yùn)動控制器提供給用戶很大的靈活性，它的運(yùn)動控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動和外部IO之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口，如同計(jì)算機(jī)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(yùn)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(yùn)動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶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(yùn)動控制器和國內(nèi)的固高科技有限公司的GO系列運(yùn)動控制器產(chǎn)品等。Soft型開放式運(yùn)動控制的特點(diǎn)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。此類產(chǎn)品的價格國內(nèi)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(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器

這類運(yùn)動控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)動控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信依然是靠計(jì)算機(jī)總線，實(shí)質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制器的一種變種。在使用中，采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、SERCOS、Profibus等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級計(jì)算機(jī)或控制面板。嵌入式的運(yùn)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(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，例如美國ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式運(yùn)動控制平臺系列產(chǎn)品等。

（3）按被控量性質(zhì)和運(yùn)動控制方式分類

運(yùn)動控制器應(yīng)用場合的控制形式有：

·點(diǎn)位運(yùn)動控制

即僅對終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動的中間過程即運(yùn)動軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)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(yùn)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(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點(diǎn)位運(yùn)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。