運動控制系統分析論文

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摘要：信息時代的高新技術流向傳統產業，引起后者的深刻變革。作為傳統產業之一的機械工業，在這場新技術革命沖擊下，產品結構和生產系統結構都發生了質的躍變，微電子技術、微計算機技術使信息和智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業開始了一場大規模的機電一體化技術革命……

關鍵詞：運動控制系統上位控制單元方案

信息時代的高新技術流向傳統產業，引起后者的深刻變革。作為傳統產業之一的機械工業，在這場新技術革命沖擊下，產品結構和生產系統結構都發生了質的躍變，微電子技術、微計算機技術使信息和智能與機械裝置和動力設備相結合，促使機械工業開始了一場大規模的機電一體化技術革命。隨著計算機電子電力和傳感器技術的發展，各先進國家機電一體化產品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業機器人、智能機器人等許多門類產品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方面的關注，它在改善人民生活、提高工作效率、節約能源、降低材料消耗、增強企業競爭力等方面起著極大的作用。在機電一體化技術迅速發展的同時，運動控制技術作為其關鍵組成部分，也得到前所未有的大發展。

在一個運動控制系統中“上位控制”和“執行機構”是系統中舉足輕重的兩個組成部分。“執行機構”部分一般不外乎：步進電機，伺服電機，以及直流電機等。它們作為執行機構，帶動刀具或工件動作，我們稱之為“四肢”；“上位控制”單元的方案主要有四種：單片機系統，專業運動控制PLC，PC+運動控制卡，專用控制系統。“上位控制”是“指揮”執行機構動作的，我們也稱之為“大腦”。以下，我們將分述系統中的“大腦”中的各個部分，并詳盡地論述“PC+運動控制卡”方案。

一、用單片機系統來實現運動控制。

此系統由單片機芯片、外圍擴展芯片以及通過搭建外圍電路組成。在“位置控制”方式時，通過單片機的I/O口發數字脈沖信號來控制執行機構行走；“速度控制”方式時，需加D/A轉換模塊輸出模擬量信號達到控制。此方案優點在于成本較低，但由于一般單片機I/O口產生脈沖頻率不高，對于分辨率高的執行機構尤其是對于控制伺服電機來說，存在速度達不到，控制精度受限等缺點。對于運動控制復雜的場合，例如升降速的處理，多軸聯動，直線、圓弧插補等功能實現起來都需要自己編寫算法，這必將帶來開發起來難度較大，研發周期較長，調試過程煩瑣，系統一旦定型不太容易擴充功能、升級、柔性不強等問題。因此這種方案一般適用于產品批量較大、運動控制系統功能簡單、且有豐富的單片機系統開發經驗的用戶。

二、采用專業運動控制PLC來實現運動控制。

目前，許多品牌的PLC都可選配定位控制模塊，有些PLC的CPU單元本身就具有運動控制功能（如松下NAIS的FP0，FPΣ系列），包括脈沖輸出功能，模擬量輸出等等。使用這種PLC來做運動控制系統的上位控制時，可以同時利用PLC的I/O口功能，可謂一舉兩得。PLC通常都采用梯形圖編程，對開發人員來說簡單易學，省時省力。還有一點不可忽視，就是它可以與HMI（人機界面）進行通訊，在線修改運動參數，如軸號，速度，位移等。這樣整個控制系統中從輸入到控制再到顯示，非常便利。一方面將界面友好化，另一方面將控制系統的成本從整體上節省了。但具有脈沖輸出功能的PLC大多都是晶體管輸出類型的，這種輸出類型的輸出口驅動電流不大，一般只有0.1~0.2A。在工業生產中，作為PLC驅動的負載來說，很多繼電器開關的容量都要比這大，需要添加中間放大電路或轉換模塊。與此同時，由于PLC的工作方式（循環掃描）決定了它作為上位控制時的實時性能不是很高，要受PLC每步掃描時間的限制。而且控制執行機構進行復雜軌跡的動作就不太容易實現，雖說有的PLC已經有直線插補、圓弧插補功能，但由于其本身的脈沖輸出頻率也是有限的（一般為10K~100K），對于諸如伺服電機高速高精度多軸聯動，高速插補等動作，它實現起來仍然較為困難。這種方案主要適用于運動過程比較簡單、運動軌跡固定的設備，如送料設備、自動焊機等。

三、采用專用數控系統作為上位控制。

專用的數控系統一般都是針對專用設備或專用行業而設計開發生產的，像專用車床數控系統，銑床數控系統，切割機數控系統等等。它集成了計算機的核心部件，輸入、輸出外圍設備以及為專門應用而開發的軟件。由于是“專業對口”，人們可以盡情發揮“拿來主義”。不需要進行什么二次開發，對使用者來說只需通過熟悉過程達到能操作的目的就行。在這方面，國外知名品牌的產品在我國制造行業中早已占領了了領地，如西門子，法那克，法格，海寶等等。當然，之所以它們能大規模廣泛地被采用和這種專用數控系統，是因為其功能豐富，性能穩定可靠。但為之付出的代價就是高成本。因此，適用于控制要求較高且產品檔次較高的數控設備生產廠家和使用者。

四、采用PC+運動控制卡作為上位控制的方案。

隨著PC（PersonalComputer）的發展和普及，采用PC+運動控制卡作為上位控制將是運動控制系統的一個主要發展趨勢。這種方案可充分利用計算機資源，用于運動過程、運動軌跡都比較復雜，且柔性比較強的機器和設備。從用戶使用的角度來看，基于PC機的運動控制卡主要是功能上的差別：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）。按信號類型一般分為：數字卡和模擬卡。數字卡一般用于控制步進電機和伺服電機，模擬卡用于控制模擬式的伺服電機；數字卡可分為步進卡和伺服卡，步進卡的脈沖輸出頻率一般較低（幾百K左右的頻率），適用于控制步進電機；伺服卡的脈沖輸出頻率較高（可達幾兆的頻率），能夠滿足對伺服電機的控制。目前隨著數字式伺服電機的發展和普及，數字卡逐漸成為運動控制卡的主流。

從運動控制卡的主控芯片來看，一般有三種形式：單片機，專用運動控制芯片，DSP。

以單片機為主控芯片的運動控制卡，成本較低，外圍電路較為復雜。由于這種方案仍是采用在程序中靠延時來控制發脈沖，脈沖波形的質量和頻率都受到限制，一般用這種卡控制步進電機；以專用運動控制芯片為主控芯片的運動控制卡成本較高，但其運動控制功能有硬件電路實現，而且集成度高，所以可靠性、實時性都比較好；輸出脈沖頻率可以達到幾兆赫茲，能夠滿足對步進電機和數字式伺服電機的控制。以DSP（DigitalSignalProcessor）為主控芯片的運動控制卡利用了DSP對數字信號的高速處理，能夠實時完成極其復雜的運動軌跡，常用于像工業機器人等運動復雜的自動化設備中。

運動控制卡是基于PC機各種總線的步進電機或數字式伺服電機的上位控制單元，總線形式也是多種多樣，通常使用的是基于ISA總線，PCI總線的。而且由于計算機主板的更新換代，ISA插槽都越來越少了，PCI總線的運動控制卡應該是目前的主流。卡上專用CPU與PC機CPU構成主從式雙CPU控制模式：PC機CPU可以專注于人機界面、實時監控和發送指令等系統管理工作；卡上專用CPU來處理所有運動控制的細節：升降速計算、行程控制、多軸插補等，無需占用PC機資源。同時隨卡還提供功能強大的運動控制軟件庫：C語言運動庫、WindowsDLL動態鏈接庫等，讓用戶更快、更有效地解決復雜的運動控制問題。運動控制卡的功能圖如下：（以MPC02為例）

<--運動控制卡的功能圖-->

控制卡接受主CPU的指令，進行運動軌跡規劃，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速處理、原點和限位開關等信號的檢測等。每塊運動控制卡可控制多軸步進電機或數字式伺服電機，并支持多卡共用，以實現更多運動軸的控制；每個軸都可以輸出脈沖和方向信號，并可輸入原點、減速、限位等開關信號，以實現回原點、限位保護等功能。開關信號由控制卡自動檢測并作出反應。

目前的運動控制卡主要特征有：開放式結構、使用簡便、功能豐富、可靠性高等。具體的特征體現在硬件和軟件兩個方面：在硬件方面采用PC機的ISA總線方式，各種設置采用簡單的跳線和撥碼開關；接線方式采用D型插頭；采用PC機的PCI總線方式，卡上無需進行任何跳線設置，所有資源自動配置，接線方式采用SISC型插頭，可使用屏蔽線纜，并且所有的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制卡的可靠性和抗干擾能力；在軟件方面提供了豐富的運動控制函數庫，以滿足不同的應用要求。用戶只需根據控制系統的要求編制人機界面，并調用控制卡運動函數庫中的指令函數，就可以開發出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統。

控制卡的運動控制功能主要取決于運動函數庫。運動函數庫為單軸及多軸的步進或伺服控制提供了許多運動函數：單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動等等。另外，為了配合運動控制系統的開發，還提供了一些輔助函數：中斷處理、編碼器反饋、間隙補償，運動中變速等。

正是由于運動控制卡的開放式結構，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進行二次開發的設計周期縮短了，開發手段增多了，針對不同的數控設備，其柔性化、模塊化、高性能的優勢得以被充分利用。在目前工業生產中，它的應用范圍十分廣泛，在使用步進電機和數字式伺服電機的PC機運動控制系統中，都可以使用運動控制卡作為核心控制單元，例如：數控機床、加工中心、機器人等；送料裝置、云臺；X-Y-Z控制臺；繪圖機、雕刻機、印刷機械；打標機、繞線機；醫療設備；包裝機械、紡織機械。

從目前工業設備中應用來看，使用專業運動控制卡作為運動控制系統的上位控制越來越普及，附帶產生的各種數控系統軟件也越來越多。隨著像激光雕刻機，三位坐標測量儀等新興數控設備的興起，運動控制卡在各個方面都表現出其巨大的開發潛力以及目前都不能預測到的應用前景，相信隨著DSP運動控制卡的不斷深入應用，PC+運動控制卡的方式將在上位控制單元占據不可替代的地位。

結束語：作為運動控制系統的核心部分，上位控制單元的形式決定了整套系統的運動控制功能的強弱。根據不同的應用場合，根據各自的應用條件，為您的運動控制系統選擇一個適用的“上尉”吧！