現代運動控制系統中的控制器及應用

運動控制系統是以電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執行機構，在控制理論指導下組成的電氣傳動控制系統。運動控制系統多種多樣，但從基本結構上看，一個典型的現代運動控制系統的硬件主要由上位計算機、運動控制器、功率驅動裝置、電動機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。電動機及其功率驅動裝置作為執行器主要為被控對象提供動力，特別設計應用于伺服系統的電機稱之為伺服電機，通常內含位置反饋裝置，如光電編碼器。目前主要應用于工業界的伺服電機包括直流伺服電機、永磁交流伺服電機與感應交流伺服電機，其中以永磁交流伺服電機占大多數。

運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、以電機或動力裝置和執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的閉路控制，如位置控制、速度控制和轉矩控制等。

一、運動控制器的分類

目前市場上的運動控制器根據不同的方法有不同的分類。

（1）按被控對象分類

根據應用場合被控對象的不同可分為步進電機運動控制器、伺服電機運動控制器和既可以對步進電機進行控制又可以對交流伺服電機進行控制的運動控制器。

（2）按結構進行分類

· 基于計算機標準總線的運動控制器

基于總線的運動控制器是利用計算機硬件和操作系統，并結合用戶開發的運動控制應用程序來實現的，具有高速的數據處理能力?？偩€形式上主要有ISA接口、PCI接口、VME接口、RS232接口和USB接口等。這種運動控制器大都采用DSP或微機芯片作為CPU，可完成運動規劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅動、外部IO之間的標準化通用接口功能，同時隨控制器還提供功能強大的運動控制軟件庫C語言運動函數庫、Windows DLL動態鏈接庫等，可供用戶根據不同的需求，在DOS或WINDOWS等平臺下自行開發應用軟件，組成各種控制系統。

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

從用戶使用的角度來看，這些基于PC機的運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（運動控制函數庫的功能函數）。

· Soft型開放式運動控制器

基于Soft型開放式運動控制器提供給用戶很大的靈活性，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動和外部IO之間的標準化通用接口，如同計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM和相應的驅動程序一樣。用戶可以在Windows平臺和其他操作系統的支持下，利用開放的運動控制內核，開發所需的控制功能，構成各種類型的高性能運動控制系統，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公司的基于網絡的運動控制器和國內的固高科技有限公司的GO系列運動控制器產品等。Soft型開放式運動控制的特點是開發、制造成本相對較低，能夠給予系統集成商和開發商更加個性化的開發平臺。此類產品的價格國內產品普遍要低于國外產品，但在技術性能上也存在一定差距。

·嵌入式結構的運動控制器

這類運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種產品，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，實質上是基于總線結構的運動控制器的一種變種。在使用中，采用如工業以太網、RS485、SERCOS、Profibus等現場網絡通信接口聯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品等。

（3）按被控量性質和運動控制方式分類

運動控制器應用場合的控制形式有：

·點位運動控制

即僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即運動軌跡無關。相應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，為了使系統能夠快速加速到設定速度，往往提高系統增益和加大加速度，在減速的末段采用S 曲線減速的控制策略。為了防止系統到位后震動，規劃到位后，又會適當減小系統的增益。所以，點位運動控制器往往具有在線可變控制參數和可變加減速曲線的能力。