运动控制器的发展与现状

综　　述运动控制器的发展与现状郗志刚1,2,周宏甫1(11华南理工大学,510640;21佛山科学技术学院,528000)摘要:本文阐述了运动控制器的涵义,并从实现运动控制功能的基本方法、运动控制器的各种类型、运动控制策略和发展趋势等几个方面综合介绍了运动控制器的发展状况。关键词:运动控制器;运动控制技术;控制策略;发展趋势中图分类号:TM571　　　文献标识码:A　　　文章编号:1004-0420(2005)04-0005-06ThedevelopmentandstatusofthemotioncontrollerXIZhi-gang,ZHOUHong-fu(11SouthChinaTechnologyUniversity,510640;2.FoshanTechnologyCollege,528000)Abstract:Thispaperelaborateimplicationofthemotioncontroller,andintroducecomprehensivelythedevelopingsituationofthemotioncontrollerfromthebasicwaytorealizethefunctionofmotioncontrolling,allsortsofmotioncontrollerandthecontrolstrategies,thedevelopingtendencyofmotioncontrolleretc.Keywords:motioncontroller;motioncontroltechnique;controlstrategies;developingtendency0　概述运动控制(MotionControl)通常是指在复杂条件下,将预定的控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。按照使用动力源的不同,运动控制主要可分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源的热机运动控制等。据资料统计,在所有动力源中,90%以上来自于电动机。电动机在现代化生产和生活中起着十分重要的作用,所以在这几种运动控制中,电气运动控制应用最为广泛。本文论述的运动控制也均是针对电气运动控制展开的。电气运动控制是由电力拖动发展而来的,电力拖动或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称。从电力拖动开始,经历四十多年的发展过程,现代运动控制已成为一个以控制理论为基础,包括电机技术、电力电子技术(电力电子器件、电力电子线路)、微电子技术、传感器检测技术、信息处理技术、自动控制技术、微计算机技术和计算机仿真和辅助制造(CAM)技术等许多不同学科,成为一种多学科交叉应用的技术领域。运动控制技术作为这些周边技术的有机结合体,随着每种技术的发展而不断向前迈进。随着运动控制技术日新月异的迅猛发展,其内涵也不断扩大,原有电力拖动的概念已经不能充分适应电气运动控制技术的发展需求。因此,二十世纪八十年代后期,国际上开始出现运动控制系统(MotionControlSystem)这一术语。运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任—5—综　　述———运动控制器的发展与现状机床电器200514©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算,为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。1　运动控制功能的实现方法和特点运动控制器历经分立电子元件、集成电路(包括小、中、大、超大规模集成电路),直至微控制器的出现,使运动控制器发生了质的飞跃—由硬件电路发展到软件控制。运动控制系统也随之进入了全数字化控制的新阶段。111　基于模拟电路早期的运动控制器一般采用运算放大器等分立元件,以模拟电路硬接线方式构成。这种运动控制方式具有以下优点:a.通过对输入信号进行实时处理,没有附加延时,响应速度快;b.由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率,所以控制器的精度较高且具有较大的带宽。但是,模拟控制系统与数字控制系统相比,也有明显的缺点:a.老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大;b.构成模拟系统需要的元器件较多,增加了系统的复杂性,最终使系统的可靠性降低;c.由于采用硬接线,系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 安装完成后,几乎不可能修改系统的功能;d.受系统规模的限制,很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复杂控制算法。目前在一些早期的系统和功能简单的系统中仍然采样这种控制方式。112　基于微控制单元微控制单位(MCU即单片计算机)将CPU、RAM、ROM或EPROM、CTC、I/O等集成在一块芯片上,具有集成度高、速度快、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、体积小、功能强、价格低等诸多优点,并且微控制单元的功能愈来愈强,因而目前使用微控制单元为核心构成运动控制器非常普遍。这种运动控制方式具有以下优点:a.模拟电路实现逻辑控制需要许多分立电子元件,而在微控制单元中绝大多数控制逻辑可采用软件来实现,使电路更简单;b.微控制单元具有大容量的存储器和较强的逻辑功能,运算速度快、精度高,因此可以实现较复杂的控制运算;c.由于微控制单元的控制方式主要通过软件来实现,需要改变控制规律时只需修改相应的软件即可,因而具有较强的灵活性和适应性;d.由于数字控制系统中一般不会出现模拟电路中的零点漂移问题,且控制器的字长一般可保证足够的控制精度,因而具有较高的控制精度;e.可设计友好人机界面,实现多机联网工作。但是,由于一般微控制单元集成度较低,片上不具备运动控制系统所需要的专用外设,使以微控制单元为核心的运动控制器仍然需要较多的周边元器件,如要加上存储器、编码器信号处理及D/A转换电路等,软硬件设计的工作量较大,并增加了系统硬件的复杂性,降低了系统的可靠性;同时,由于微控制单元一般采用冯—诺依曼总线结构,使处理速度和能力有限,难以实现先进控制算法和满足运算量较大的实时信号处理的需要,不适用于高精度、高速度控制场合,只能应用在低速点位控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合。113　基于可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(PLC)是以微处理为基础,在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。它是将计算机技术与自动控制技术综合为一体的工业控制产品,由中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出单元(I/O)、电源、编程器等组成,是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机。可编程逻辑控制器一般都具有脉冲输出功能,以它作为运动控制器,可以控制接收脉冲和方向信号工作的电机,如步进电机和数字式交流伺服电机等。这种控制方式具有体积小、可靠性高、通用性强、成本较低、软硬件开发周期短、安装维护简便、在工业现场抗干扰能力强等优点。但由于PLC是以循环扫描方式工作,即每一次状态变化需要一个扫描周期,其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间(视PLC工作速度和用户程序大小而定)。由于受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响,被控制电机不能在—6—机床电器2005.4综　　述———运动控制器的发展与现状©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net高频下工作,转速较慢,且不能实现复杂的运动关系,故一般只应用在点位控制和单轴运动控制等场合。114　基于通用计算机在通用计算机上,利用高级语言编制相关的控制软件,配合与计算机进行信号交换的通信接口板和驱动电机的电路板,构成一个运动控制系统。这种方法是利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境来实现高性能、高精度、复杂的控制算法,并且控制软件的修改也很方便。由于通用计算机本身的限制,难以实现实时性要求高的信号处理算法;同时,系统体积过大,难以应用于工业现场。因此,这种实现方法一般用作上位机,与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。115　基于专用运动控制芯片基于专用运动控制芯片的运动控制系统,将实现电机控制所需的各种逻辑功能做在一块专用集成电路内,并提供一些专用的控制指令。同时具有一些诸如限位开关、零位开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能,使用户的软件设计工作减少到最小程度。对于伺服电机,用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM区内,可由计算机用指令很方便地修改。这种方法具有系统使用元件少、集成度高、可靠性好等优点,同时又保持了模拟控制系统的快速响应能力。专用运动控制芯片价格便宜,使系统成本较低。但由于受专用运动控制芯片本身的限制,这种方法也有一些缺点:a.为了保证较高的系统响应速度而将软件算法固化在芯片内部,降低了系统的灵活性,不具有扩展能力;b.受芯片制作工艺的限制,现有的芯片很难实现复杂的控制算法和功能;c.用户不能对芯片进行编程,很难实现系统的升级;d.由于芯片本身算法的限制,系统的控制精度较低,难以实现高性能、高精度的应用场合。116　基于可编程逻辑器件由于现场可编程门阵列(FPGA)/复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有用户可编程的特性,使得用户可以利用系统开发软件或VHDL等开发语言,通过软件编程实现运动控制算法,并将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中,从而最终以硬件的方式实现运动控制。这种方法的优点是:a.系统的主要功能都可在单片FPGA/CPLD器件中实现,减少了所需的元器件个数,缩小了系统体积;b.由于可编程器件具有系统可编程的特性,因而具有较好的扩展性和可维护性,通过修改软件即可实现系统的升级;c.系统以硬件实现,响应速度快,可实现并行处理;d.容易开发,通用性强。但是由于使用可编程逻辑器件实现的控制算法越复杂,器件内部需要的晶体管门数就越多,成本就越高,所以一般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法,构成较简单的运动控制系统。117　基于数字信号处理器数字信号处理器(DSP)是微处理器的一种,它除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外,针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作,在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。特别是随着运动控制领域对嵌入式DSP控制器的市场需求的不断增大,DSP厂商为此推出各种运动控制专用DSP,并且成本不断下降,所以数字信号处理器是单片机的理想替代品,采用DSP芯片为核心来实现电机的运动控制已经是一个必然趋势。由于DSP的高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现,且DSP将实时处理能力和控制的外设功能集于一身,基于DSP构成的运动控制器是一个单片系统,大幅度减少外部元器件的数量,增加了系统的可靠性;同时,由于各种性能通过软件编程来实现,系统开放性、扩展性、维护性都很好。这种方法的优点是:a.对输入和反馈信号的处理可以消除噪声污染或不精确的数据,从而可以去掉昂贵或不可靠—7—综　　述———运动控制器的发展与现状机床电器200514©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net的传感器;b.在实现特殊输入轨迹时,应用微处理器的控制经常是通过查表产生控制输入,DSP可以用专门的函数和算法代替这些表和插补过程,因而可以使用更加复杂的多变量函数,减少对存储器的要求,提供最优的函数,且系统运行更加平稳,能耗更低,并提高驱动装置的可靠性;c.DSP能实时实现许多先进的复杂控制算法,如自适应和最优多变量控制、重复控制、学习算法、神经网络、遗传算法、模糊逻辑控制和其它控制方法都可以借助DSP的速度和性能得以实时实现;d.运动控制系统通常用PWM技术控制开关功率整流器,而通过DSP来实现产生PWM和电子换向可以去掉D/A转换器,因而与电流驱动的双极功率晶体管相比,减少了元件数目、功耗和驱动系统的体积。这种方法提高了供给电压的利用率,同时降低了电动机电流中的谐波分量;e.在运动控制系统中系统运行中的故障诊断和处理是处理器的重要任务之一,而DSP能够方便地实现实时监控的功能,且DSP除了作为数字控制器之外,还可以用来处理非控制问题,包括与上位主机的通讯、数字滤波和数据总线控制 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 等。2　运动控制器的分类目前在应用中的运动控制器按不同的方法有不同的分类。211　根据运动控制器的核心技术方案来分根据运动控制器的核心技术方案主要可分为基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程控制器型、基于通用计算机型、基于专用集成电路(ASIC)型、基于可编程逻辑器件型和基于数字信号处理器(DSP)型等,如前所述。212　根据被控制对象来分根据被控制的对象可分为步进电机运动控制器、伺服电机运动控制器和既可以对步进电机进行控制又可以对直流或交流伺服电机进行控制的运动控制器。213　根据运动控制器的系统结构来分主要可以分为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器及混合型运动控制器:a.基于总线的运动控制器是利用现有的硬件和操作系统,并结合用户开发的运动控制应用程序来实现的,具有高速的数据处理能力。总线形式上主要有ISA接口、PCI接口、VME接口、RS232接口和USB接口等;b.独立应用的运动控制器是将控制器、I/O、操作界面和通信接口装入一个机壳内,伺服环更新、I/O和操作界面由内部适当的软件来完成。这种控制器无法提供基于总线的控制器那样灵活的通信和操作界面,而且集成到大型系统比较困难。但从应用需求来看,这两种类型的运动控制器各有优点:基于总线结构型的运动控制器易于系统集成,具有很好的网络功能和开放性;独立型运动控制器则应用灵活机动、系统升级优化比较容易;c.混合型的运动控制器是由一个运动控制器和一个伺服驱动器构成并组装成一体,既具有独立运动控制器的优点,又可以通过很多方法和协议将多个伺服驱动器连接在一起,进行协调控制。214　根据位置控制原理来分运动控制系统根据位置控制原理,即有无检测反馈传感器及其检测装置,可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案:a.开环控制系统:无位置检测反馈装置,其执行电动机一般采用步进电机。此类系统最大的特点是控制方便、结构简单、价格便宜。控制系统发出的位移指令信号流是单向的,所以不存在稳定性问题。但由于机械传动误差不经过反馈校正,位置精度一般不高;b.半闭环控制系统:位置反馈采用转角检测元件,直接安装在伺服电机或丝杠端部。由于具有位置反馈比较控制,可获得较高的定位精度,大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内,因此可获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈校正,但可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度;c1全闭环控制系统:采用光栅等检测元件对被控制单元进行位置检测,可以消除从电机到被控制单元之间整个机械传动链中的传动误差,得—8—机床电器2005.4综　　述———运动控制器的发展与现状©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net到很高的静态定位精度。但由于在整个控制环内,许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性,并且整个机械传动链的动态响应时间(与电气响应时间相比)又非常大,使得整个闭环系统的稳定性校正很困难,系统的设计和调整也相当复杂。215　根据被控量的性质和运动控制方式来分a.位置控制:位置控制按控制原理分为点位运动控制和连续轨迹运动控制。点位控制是点到点的定位控制,它不控制点与点之间的运动轨迹,在此过程中也不进行加工或测量。连续轨迹控制又分为直线控制和轮廓控制。直线控制是指被控对象以一定速度沿某个方向的直线运动(单轴或多轴联动),在此过程中要进行加工或测量;轮廓控制是控制两个或两上以上坐标轴移动的瞬时位置与速度,通过联动形成一个平面或空间的轮廓曲线或曲面;b.速度控制和加速度控制:速度控制即可单独使用,也可以与位置控制联合成为双回路控制,但主回路是位置控制,速度控制作为反馈校正,改善系统的动态性能;c.同步控制:同步控制是两轴或两轴以上的速度或位置的同步运动控制,如需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。有的除了同时起动,还要求位置同步,其同步精度要求较高;d.力和力矩控制:塑料薄膜、钢带、布和纸张等卷取机是恒张力控制;自动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场合,应采用力矩与位置同步控制。3　运动控制器的控制策略运动控制对系统的性能要求主要表现在:a.稳态跟踪精确性;b.动态响应的精确性与快速性;c.对系统参数变化和不确定干扰的鲁棒性。运动控制高性能的获得,主要是通过对执行机构、测量装置以及控制策略特性的选择和对控制策略的设计来达到的。控制策略的设计目标是:a.减少扰动和参数变化的影响;b.获得期望的稳态精度和输入输出动态特性;c.通过对负载力矩以及对跟踪偏差的控制来达到上述目的。自动控制理论为运动控制技术提供了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与设计的手段,是运动控制技术的重要组成部分。目前在运动控制器中用到的控制理论和策略主要有PID控制、最优控制、自适应控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。4　运动控制器的发展现状和趋势传统的运动控制系统经过几十年的市场竞争,其技术被少数几家专业制造商所垄断,并且随着现代科学技术的进步,传统的运动控制系统由于其自身的特性限制,如封闭式结构、控制软件的兼容性差、容错性和可靠性不高、缺少网络功能等,已不能满足现代工业和社会发展的要求。为此,美国在1981年制订了下一代控制器NGC(NextGenerationWorkstation/MachineCon2troller)的研究计划,目的就是要建立一种开放式的控制系统标准,使不同的设计人员可依据规范开发具有互换性和互操作性的控制器部件,打破少数制造商的技术垄断,加快控制系统的发展步伐。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动,其中影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器OMAC(OpenModularArchitectureController)、欧洲的自动控制结构的开放式系统OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomation)和日本的控制器结构开放系统环境OSEC(OpenSyenSystemEnvironmentforControllerArchitecture)等计划。美、德等发达国家的公司一直致力于研究开放式运动控制器,并已开始在机器人控制、半导体加工、电子装配系统、飞行模拟器等新兴行业得到应用;在传统的机床控制领域所占的市场份额也不断扩大。开放式结构运动控制器是21世纪运动控制技术的主要研究内容,具有可互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性、可扩展性等特性。开放式运动控制器与传统的运动控制方法相比,具有以下显著特征:a.能方便地与机床、机器人等被控设备联接;—9—综　　述———运动控制器的发展与现状机床电器200514©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.netb.一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和轨迹伺服控制,从软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能;c.结构形式模块化,可以方便地相互组合,建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统;d.由于它采用开放式的技术,具有维护、扩展、升级方便的特点。由于开放式结构运动控制器的这些优点,它的应用已走出机械加工行业,越来越多地应用于其它工业自动化设备控制,如航天、军事、医疗器械、测试及测量、产业制造、电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。5　结束语运动控制器的应用遍及众多领域,因而运动控制技术的研究在国际上极被重视,目前已进入普遍开发阶段。与国外相比,我国在运动控制器的产品研发方面还比较落后,高端产品基本上被国外公司垄断。我国作为世界上经济发展最快的国家,市场上新设备的控制和传统设备技术升级换代,对运动控制器的需求越来越大。在这种形势下,我国应抓住这一机遇,开发研制出具有自主知识产权的高水平、高质量、高可靠性的运动控制器。参考文献:[1]　韩安太,刘峙飞,黄　海1DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]1北京:清华大学出版社,20031[2]　冷增祥1运动控制系统概述[J]1江苏机电工程,1995,(3):35-441[3]　闰砺锋1运动控制技术研究及运动控制板开发[C]1四川大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,20011[4]　丛　爽1运动控制中先进控制策略的研究综述[J]1微特电机,1998,(1):2-51[5]　徐小增,廖庆华,秦　忆1智能控制方法的现状及发展[J]1佛山科学技术学院学报(自然科学版),2002,(4):14-171[6]　ALTUGS,CHOWMY.FuzzyInferenceSystemsIm2plementedonNeuralArchitecturesforMotorFaultDe2tectionandDiagnosis[J].IEEETransonIndustrialElectronics,1999,46(6):1069-10791[7]　FrohlichP.NewTrendsinAutomation:ConceptsofPC-basedControllers[J].RealTimeMagazine(Bel2gium),1997,(4):67-701[8]　范大鹏,刘　钢,郑子文,付永红1方兴未艾的开放式运动控制技术[J]1组合机床与自动化加工技术,1999,(9):1-21收稿日期:2004-11-03;修稿日期:2005-04-15作者简介:郗志刚(1966-),男,河北平山人,工程师,硕士生,主要从事机电一体化技术的研究。周宏甫(1958-),博士,副教授,主要从事制造系统的计算机控制的研究和教学。西门子新品引领工控创新　　近日在第九届国际工业自动化与控制技术展览会上,西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团依然以其博大精深的蓝色基调携西门子自动化系统部推出的全新操作屏包括三款触摸式操作屏以及三款键入式操作屏,再次刮起了工业控制领域“新”风暴。西门子人机界面产品一直以其先进实用的功能,稳定可靠的质量,美观大方的外表和完善周到的服务在全球和中国具有广泛的用户认可度和市场占有率。特别值得一提的是针对中国中小型自动化产品用户的使用习惯和现场环境需要开发的K-TP178micro全新触摸屏。该产品具有友好的操作界面,可以通过触摸屏来完成操作和通过面板上的6个功能按键来执行操作。操作时LED会显示设备状态,同时在进行触摸操作时有声音反馈。K-TP178micro是通过点对点连接(PPI或者MPI)来完成和S7-200控制器的连接,整个系统浑然一体,具有良好的稳定性和抗干扰性。由K-TP178micro组成的PPI或MPI网络可以允许有多个主设备,为S7-200的操作和维护提供极大方便。在系统运行方面,K-TP178micro采用了32位ARM7的CPU处理芯片,同时拥有超大的内存空间,这使得系统在很短的时间内可以快速起动,并且拥有快速的按键操作响应时间。除了以上特点之外,K-TP178micro还提供最佳的语言支持,使其可方便地在全世界范围内使用。不断创新始终是西门子秉承的传统,为了更好的服务用户,西门子公司在研发和设计工程中十分注重产品细节,以便更加适用于中国用户的工业应用环境。秉承创新服务用户的理念,在产品功能得到提高的同时,新操作屏的价格并没有随之增加。—01—机床电器2005.4综　　述———运动控制器的发展与现状©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net