多軸運動控制器

1、運動控制器概述

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的提高，運動控制器的出現(xiàn)在某種意義上滿足了新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、開放性的要求，為各種工業(yè)設(shè)備、國防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置的自動化控制系統(tǒng)的研制和改造提供一個統(tǒng)一的硬件平臺。整體而言，運動控制器是一種控制裝置，其核心為中央邏輯控制單元,敏感元件一般為傳感器，控制對象為電機或動力裝置和執(zhí)行單元。目前，大多數(shù)的運動控制器是一種基于PC機或工業(yè)PC機的上位控制單元，多用于控制步進電機或伺服電機，在控制過程中，控制器可以完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等）。一般地，控制器都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)，從而構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。

圖1給出典型的PC+運動控制器組成的開放式控制系統(tǒng)的簡圖：一般地，運動控制器發(fā)送運動控制指令到伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運行，再通過伺服電機上的編碼器反饋信號返回至運動控制器，至此，整個運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制器的閉環(huán)控制。

圖1 典型的Pc+運動控制器組成的開放式控制系統(tǒng)的

2、運動控制器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在20世紀90年代,國際發(fā)達國家就已經(jīng)相繼推出運動控制器產(chǎn)品，包括美國Deltatau公司的PMAC多軸運動控制器，英國TRIO公司的PCI208多軸運動控制器以及德國MOVTEC公司開發(fā)的DEC4T運動控制器等。近年來，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)被越來越多的工業(yè)領(lǐng)域所接受。目前，由這些發(fā)達國家研制的運動控制器已開始在機器人控制、半導體加工、飛行模擬器等新興行業(yè)得到了很大的應(yīng)用，其在傳統(tǒng)的機床控制領(lǐng)域所占的市場份額也在不斷的擴大。

我國在運動控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對滯后，1999年固高科技有限公司開始開發(fā)、生產(chǎn)開放式運動控制器，隨后，國內(nèi)又有其它幾家公司進入該領(lǐng)域，但實際上，其大多是在國內(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。深圳固高、深圳摩信是國內(nèi)較早（20世紀90年代晚期）從事獨立開放式運動控制器的廠家，推出了一些通用的運動控制器。如固高的GT系列運動控制器、摩信的MCT8000系列運動控制器；長沙力鼎科技有限公司的MC系列3軸模擬電壓控制/編碼器反饋型運動控制器，4軸有/無反饋脈沖輸出型運動控制器；南京順康數(shù)碼科技有限公司的MC6014A使用了帶插補功能、可以控制4個電機的DSP運動控制芯片，適用于PC機ISA總線的線路板；成都步進機電有限公司的MPC01和MPC02系列3軸步進或數(shù)字式伺服控制運動控制器。

目前，我國作為世界上經(jīng)濟發(fā)展最快的國家之一，市場上新設(shè)備

的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級和換代對運動控制器的市場需求越來越大，在這樣的形勢下,研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高水平、高可靠性的開放式運動控制器，突破發(fā)達國家對我國的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)運動控制器的國產(chǎn)化顯得尤為重要。

3、運動控制器分類

目前市場上可以看到的運動控制器依據(jù)不同的原則有不同的分類。按照運動控制器的核心技術(shù)方案，主要有基于模擬電路型、基于微控制單元型、基于可編程邏輯型、基于數(shù)字信號處理（DSP）型等；按照運動控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為基于總線的運動控制器和獨立應(yīng)用的運動控制器以及混合型的運動控制器；按照位置控制原理，可以分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種基本的控制方案；按照被控量的性質(zhì)和運動控制方式，可以分為位置控制、速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。

而國內(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：

（1）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。

（2）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，大多數(shù)工作于開環(huán)控制方式，基本滿足于對單軸的點位控制。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夠提供連續(xù)插補功能，很難滿足要求。

（3）基于PC總線的以DSP和FPGA為核心處理器的開放式運動

控制器。近年來，DSP以其功能強、速度快、編程和開發(fā)方便等優(yōu)點，在多軸運動控制技術(shù)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。此類控制器即以DSP作為核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，以插卡形式嵌入PC機，形成“PC+運動控制器”的模式。功能上，通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運動控制與復雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。

第一類運動控制器由于其性能的限制，主要應(yīng)用于一些單軸簡單運動的場合。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）僅能提供運動控制的基本功能，限制了這種運動控制器在復雜條件的使用。第三類運動控制器是目前國內(nèi)運動控制器產(chǎn)品的主流，應(yīng)用也從傳統(tǒng)的機床數(shù)控擴展到了如機器人控制、激光加工、紡織、電子加工等多個領(lǐng)域。本課題的研究內(nèi)容即為設(shè)計出一款適應(yīng)于工業(yè)焊接機械人的第三類運動控制器。

4、運動控制器發(fā)展趨勢

隨著控制技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的運動控制技術(shù)由于其封閉式結(jié)構(gòu)!控制軟件兼容性差等原因，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。 目前而言，新型的運動控制器有以下幾個主要的發(fā)展趨勢： 現(xiàn)階段，新型數(shù)控系統(tǒng)標準化、柔性化的要求促使了現(xiàn)代控制系統(tǒng)中開放性體系概念的提出。所謂開放性體系即系統(tǒng)應(yīng)具備使不同應(yīng)用程序能很好地運行于不同供應(yīng)商提供的不同平臺之上的能力，不同應(yīng)用程序之間能夠相互操作的能力和一致的用戶交互風格。新型運動控制器應(yīng)該以開放化為目標，能夠方便地與機床、機器人等被控設(shè)備

聯(lián)接，硬件上能夠?qū)崿F(xiàn)一到多個坐標軸位置、速度和軌跡伺服控制，軟件上具有完善的軌跡插補、運動規(guī)劃和伺服控制。

其次,新型運動控制器應(yīng)該在結(jié)構(gòu)上應(yīng)形成模塊化，易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化，可以通過積木方式進行方便的相互組合，以建立適用于不同場合、不同功能需求控制系統(tǒng)，為各種工業(yè)設(shè)備、國防設(shè)備以及智能醫(yī)療裝置的自動化控制系統(tǒng)的研制和改造提供一個統(tǒng)一的硬件平臺。

最后，新型的運動控制器應(yīng)該緊跟計算機技術(shù)的快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代計算機功能的強大，利用運動控制卡和PC機相結(jié)合，或者將PC系統(tǒng)直接嵌入運動控制卡中已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展趨勢。