運動控制系統(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)代運動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位計算機(jī)、運動控制器、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)。  
    運動控制器是以*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、運動控制器的分類
    目前市場上的運動控制器根據(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)運動控制器、伺服電機(jī)運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)行控制的運動控制器。
   （2）按結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類
    · 基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運動控制器
    基于總線的運動控制器是利用計算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)，并結(jié)合用戶開發(fā)的運動控制應(yīng)用程序來實現(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。這種運動控制器大都采用DSP或微機(jī)芯片作為CPU，可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、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大的運動控制軟件庫C語言運動函數(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zui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運動控制卡、固高科技（深圳）有限公司的GT系列運動控制器產(chǎn)品和美國NI公司的NI系列運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(shù)庫的功能函數(shù)）。
    · 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(jī)中，而硬件部分僅是計算機(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)的運動控制器和國內(nèi)的固高科技有限公司的GO系列運動控制器產(chǎn)品等。Soft型開放式運動控制的特點是開發(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)的運動控制器
    這類運動控制器是把計算機(jī)嵌入到運動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機(jī)之間的通信依然是靠計算機(jī)總線，實質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運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)接上級計算機(jī)或控制面板。嵌入式的運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嵌入式運動控制平臺系列產(chǎn)品等。
   （3）按被控量性質(zhì)和運動控制方式分類
    運動控制器應(yīng)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(guān)。相應(yīng)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(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，點位運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。
    ·連續(xù)軌跡運動控制
    該控制又稱為輪廓控制，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運動輪廓控制。相應(yīng)的運動控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運動的情況下，既要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時的切向速度的恒定。對小線段加工時，有多段程序預(yù)處理功能。
    ·同步運動控制
    是指多個軸之間的運動協(xié)調(diào)控制，可以是多個軸在運動全程中進(jìn)行同步，也可以是在運動過程中的局部有速度同步，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中。工業(yè)上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業(yè)。相應(yīng)的運動控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，保證系統(tǒng)的同步控制。
二、運動控制器的應(yīng)用舉例
    開放式運動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 
    整個系統(tǒng)以基于“PC機(jī)+運動控制器”為核心，采用NI公司NI7340系列運動控制器NI7342、emecanique驅(qū)動器和交流伺服電動機(jī)構(gòu)成一個開放式硬件結(jié)構(gòu)。在該伺服控制系統(tǒng)中，控制器上CPU與PC機(jī)CPU構(gòu)成主從式雙CPU控制模式。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作，例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送和外部信號IO的監(jiān)控等。運動控制器配備內(nèi)容豐富、功能強大的運動函數(shù)庫，供用戶使用完成電動機(jī)的運動規(guī)劃。系統(tǒng)采取模擬量輸出的位置控制方式，圖2中，模擬信號的大小控制電機(jī)的速度，信號的正負(fù)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)二軸的位置控制。X軸和Y軸原點、限位檢測是通過一組機(jī)械來實現(xiàn)，原點檢測開關(guān)作為每個軸的零點位置，限位檢測開關(guān)確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號送入運動控制卡狀態(tài)寄存器后由CPU隨時讀出，達(dá)到對IO狀態(tài)信號的檢測。在硬件上，運動控制器上的光電隔離措施既隔離了外設(shè)對內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的干擾，有能有效防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對計算機(jī)系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。
三、運動控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)
    運動控制器同時還配備有運動函數(shù)庫，函數(shù)庫為單軸及多軸的步進(jìn)或伺服控制提供了許多運動函數(shù)，如單軸運動、多軸獨立運動、多軸插補運動以及多軸同步運動等等?；贜I7342運動控制器組成的控制系統(tǒng)，可采用Labview、VB、VC多種語言開發(fā)用戶自己的應(yīng)用程序。由于Labview本身同為NI公司產(chǎn)品，利用它開發(fā)是zui支持也是zui方便的。作為一種圖形化編程語言，它和其他語言一樣，提供各種循環(huán)和結(jié)構(gòu)，以虛擬儀器VI （Virtual Instrument）的形式代替其他語言的函數(shù)功能，NI專門為用戶提供了運動控制的VI-NI-Motion，用戶利用labview技術(shù)編寫圖形程序可以方便的實現(xiàn)調(diào)用，同時也便于設(shè)計友好的人機(jī)界面，便于人機(jī)交互和管理。系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)模塊如圖3所示，除了主體的運動控制程序外，還包括初始化、與PC實時數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測等部分。Labview內(nèi)置了便于應(yīng)用TCPIP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。利用它還可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 
    正是由于運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)，強大而豐富的軟件功能，對于使用者來說進(jìn)行二次開發(fā)的設(shè)計周期縮短了，開發(fā)手段增多了，針對不同的數(shù)控設(shè)備，其柔性化、模塊化、高性能的優(yōu)勢得以被充分利用。
四、運動控制器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
    運動控制技術(shù)的發(fā)展是制造自動化前進(jìn)的旋律，是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。運動控制器采用了開放式結(jié)構(gòu)，使用簡便，功能豐富，可靠性高。若采用PC機(jī)的PCI總線方式，卡上無需進(jìn)行任何跳線設(shè)置，所有資源自動配置，并且所有的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制器的可靠性和抗*力；在軟件方面提供了豐富的運動控制函數(shù)庫，以滿足不同的應(yīng)用要求。用戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面，并調(diào)用運動函數(shù)庫中的指令函數(shù)，就可以開發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運動控制系統(tǒng)。運動控制器已經(jīng)從以單片機(jī)或微處理器為核心的運動控制器和以專業(yè)芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制器，發(fā)展到了基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。同時，將運動控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合是當(dāng)前一個新的研究發(fā)展方向。在一般的控制器與驅(qū)動器的控制架構(gòu)下，存在配線多、同步特性差、非全數(shù)字化等缺點，而且很難由外界控制器度曲并實時調(diào)整伺服參數(shù)。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與運用，可以運用網(wǎng)絡(luò)通訊的方案來解決傳統(tǒng)運動控制架構(gòu)中的問題。例如在串行運動控制網(wǎng)絡(luò)中，IEEE-1394、SERCOS-Ⅱ等通訊協(xié)議被廣泛采用，它們的硬件傳輸媒介主要是RS-485、光纖、Fire Wire和以太網(wǎng)。
五、結(jié)語   
    運動控制器的應(yīng)用已經(jīng)遍及眾多領(lǐng)域，特別是在交流伺服和多軸控制系統(tǒng)中。它能夠充分利用計算機(jī)資源，方便地幫助用戶實現(xiàn)運動軌跡規(guī)劃、完成既定運動和高精度的伺服控制。運動控制技術(shù)將不斷和交流伺服驅(qū)動技術(shù)、直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)等相結(jié)合，促使我國機(jī)電一體化技術(shù)不斷提高。