通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展及其應(yīng)用
固高科技(深圳)有限公司
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作者:蔣仕龍 吳 宏 呂 恕 龔小云<BR> （ 固高科技（深圳）有限公司 深圳 518057 ）<BR> 摘要：運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展是制造自動(dòng)化前進(jìn)的旋律，是推動(dòng)新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制器<BR> 已經(jīng)從以單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制<BR> 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(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也<BR> 由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)而發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重<BR> 組的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)�；诰W(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的通用運(yùn)動(dòng)控制器逐步成為自動(dòng)化控制<BR> 領(lǐng)域里的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。高速、高精度始終是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo)。充分利用DSP 的計(jì)算能力，<BR> 進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償和更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，使得運(yùn)動(dòng)控制<BR> 精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)；充分利用DSP 和FPGA 技術(shù)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加開放，根據(jù)用<BR> 戶的應(yīng)用要求進(jìn)行客制化的重組，設(shè)計(jì)出個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)控制器將成為市場(chǎng)應(yīng)用的兩大方向。<BR> 關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制器，點(diǎn)位控制，連續(xù)軌跡控制，同步控制<BR> 1 通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀<BR> 運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制 (Servomechanism)。簡(jiǎn)單地說，運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械<BR> 運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參<BR> 數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。早期的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控（CNC）技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)（Robotics）<BR> 和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際上是可以獨(dú)立運(yùn)行的專用的控<BR> 制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)控制功能、工藝技術(shù)要<BR> 求的其他功能和人機(jī)交互功能。這類控制器可以成為獨(dú)立運(yùn)行（Stand-alone）的運(yùn)動(dòng)控制器。<BR> 這類控制器主要針對(duì)專門的數(shù)控機(jī)械和其他自動(dòng)化設(shè)備而設(shè)計(jì)，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工<BR> 藝要求設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能，用戶只需要按照其協(xié)議要求編寫應(yīng)用加工代碼文件，利用RS232<BR> 或者DNC 方式傳輸?shù)娇刂破鳎刂破骷纯赏瓿上嚓P(guān)的動(dòng)作。這類控制器往往不能離開其特<BR> 定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不<BR> 能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通用運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展成為市場(chǎng)的必然需求。<BR> 由國家組織的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究始于1987 年，美國空軍在美國政府資助下發(fā)<BR> 表了著名的“NGC（下一代控制器）研究計(jì)劃”，該計(jì)劃首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的<BR> 概念，這個(gè)計(jì)劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(OSACA)”。自1996<BR> 年開始，美國幾個(gè)大的科研機(jī)構(gòu)對(duì)NGC 計(jì)劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容[3]，如在美國海軍<BR> 支持下，美國國際標(biāo)準(zhǔn)研究院提出了“EMC（增強(qiáng)型機(jī)床控制器）”；由美國通用、福特和<BR> 克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了“OMAC（開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器）”，其目<BR> 的是用更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)使制造系統(tǒng)更加具有柔性、更加敏捷。該計(jì)劃啟動(dòng)<BR> 后不久便公布了一個(gè)名為“OMAC APT”的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項(xiàng)目的運(yùn)行。<BR> 通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要分支，在20 世紀(jì)90 年代，國際上發(fā)達(dá)<BR> 國家，例如美國進(jìn)入快速發(fā)展的階段。由于有強(qiáng)勁市場(chǎng)需求的推動(dòng)，通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)<BR> 展迅速，應(yīng)用廣泛。近年來，隨著通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，通用運(yùn)動(dòng)控制器<BR> 作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且它已經(jīng)達(dá)<BR> 到一個(gè)引人矚目的市場(chǎng)規(guī)模。根據(jù)ARC 近期的一份研究，世界通用運(yùn)動(dòng)控制（General Motion<BR> Control GMC）市場(chǎng)已超過40 億美元，并且有望在未來5 年內(nèi)綜合增長率達(dá)到6.3％。<BR> 目前，通用運(yùn)動(dòng)控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類：<BR> ⑴ 基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，它是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的運(yùn)<BR> 動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制器大都采用DSP 或微機(jī)芯片作為CPU，<BR> 可完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)插補(bǔ)、伺服濾波控制和伺服驅(qū)動(dòng)、外部I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通<BR> 用接口功能，它開放的函數(shù)庫可供用戶根據(jù)不同的需求，在DOS 或WINDOWS 等平<BR> 臺(tái)下自行開發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)。如美國Deltatau 公司的PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)<BR> 控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT 系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。目前這種運(yùn)動(dòng)控制<BR> 器是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。<BR> ⑵ Soft 型開放式運(yùn)動(dòng)控制器，它提供給用戶最大的靈活性，它的運(yùn)動(dòng)控制軟件全部裝<BR> 在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就<BR> 像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM 和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶可以在<BR> WINDOWS 平臺(tái)和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控<BR> 制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。<BR> 基于Soft 型開放式運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)的典型產(chǎn)品有美國MDSI 公司的Open CNC、德國<BR> PA（Power Automation）公司的PA8000NT。美國Soft SERVO 公司的基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)<BR> 控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO 系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。Soft 型開放式運(yùn)動(dòng)<BR> 控制的特點(diǎn)是開發(fā)、制造成本相對(duì)較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個(gè)性化的<BR> 開發(fā)平臺(tái)。<BR> ⑶ 嵌入式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器，這種運(yùn)動(dòng)控制器是把計(jì)算機(jī)嵌入到運(yùn)動(dòng)控制器中的一種<BR> 產(chǎn)品，它能夠獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信依然是靠計(jì)算機(jī)總線，實(shí)質(zhì)<BR> 上是基于總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器的一種變種。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)總線的計(jì)算機(jī)模塊，這種產(chǎn)品<BR> 采用了更加可靠的總線連接方式（采用針式連接器），更加適合工業(yè)應(yīng)用。在使用中，<BR> 采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、SERCOS、PROFIBUS 等現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級(jí)計(jì)算<BR> 機(jī)或控制面板。嵌入式的運(yùn)動(dòng)控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動(dòng)器，甚至可以通過Internet<BR> 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<BR> 運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)系列產(chǎn)品等。<BR> 我國在運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品開發(fā)方面相對(duì)落后，1999 年固高科技（深圳）有限公司在深圳<BR> 成立，她是國內(nèi)第一家專業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的公司。其后，國內(nèi)又有其<BR> 他幾家公司進(jìn)入該領(lǐng)域，但實(shí)際上，大多是在國內(nèi)推廣國外生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，真正<BR> 進(jìn)行自主開發(fā)的公司較少�！鞍宋濉逼陂g，我國廣大科研工作者也成功開發(fā)了兩種數(shù)控平臺(tái)<BR> 和華中Ⅰ型、藍(lán)天Ⅰ型、航天Ⅰ型、中華Ⅰ型等4 種基本系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用模塊化，嵌<BR> 入式的軟、硬件結(jié)構(gòu)。其中以華中Ⅰ型較具代表性，它采用工業(yè)PC 機(jī)上插接口卡的結(jié)構(gòu)，<BR> 運(yùn)行在DOS 平臺(tái)上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴(kuò)展和伸縮性。但從整體<BR> 來說這些系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)，不是獨(dú)立的開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。目前，我國是世界上經(jīng)濟(jì)<BR> 發(fā)展最快的國家，市場(chǎng)上新設(shè)備的控制需求、傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)升級(jí)、換代對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的市<BR> 場(chǎng)需求越來越大。另外由于市場(chǎng)日益競(jìng)爭(zhēng)的壓力，系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商要求運(yùn)動(dòng)控制<BR> 系統(tǒng)向開放式方向發(fā)展。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控市場(chǎng)占有率正在逐漸減小。在這樣的形勢(shì)下，<BR> 我國可以抓住這一機(jī)遇，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有高水平、高質(zhì)量、高可靠性的開<BR> 放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。<BR> 2 通用運(yùn)動(dòng)控制器在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展<BR> 自20 世紀(jì)80 年代初期，通用運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)開始在國外多個(gè)行業(yè)應(yīng)用，尤其是在微<BR> 電子行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛。而當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器在我國的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)面很小，國內(nèi)也沒<BR> 有廠商開發(fā)出通用的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。1999 年，固高科技（深圳）有限公司開始從事專業(yè)<BR> 開發(fā)、生產(chǎn)開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。<BR> 目前，國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品大致可以分為三類：<BR> ⑴ 以單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精度不高，<BR> 成本相對(duì)較低。在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)<BR> 合應(yīng)用。<BR> ⑵ 以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，<BR> 但這類運(yùn)動(dòng)控制器大多數(shù)只能輸出脈沖信號(hào)，工作于開環(huán)控制方式。這類控制器對(duì)單<BR> 軸的點(diǎn)位控制場(chǎng)合是基本滿足要求的，但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制<BR> 的設(shè)備，這類運(yùn)動(dòng)控制器不能滿足要求。由于這類控制器不能提供連續(xù)插補(bǔ)功能，也<BR> 沒有前瞻功能（Look ahead），特別是對(duì)于大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，如模具雕刻，<BR> 不能使用這類控制器。另外，由于硬件資源的限制，這類控制器的圓弧插補(bǔ)算法通常<BR> 都采用逐點(diǎn)比較法，這樣一來圓弧插補(bǔ)的精度也不高。<BR> ⑶ 基于PC 總線的以DSP 和FPGA 作為核心處理器的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。這類開放式<BR> 運(yùn)動(dòng)控制器以DSP 芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC 機(jī)作為信息處理平臺(tái)，<BR> 運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC 機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。這樣將PC 機(jī)的信<BR> 息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具<BR> 有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類運(yùn)動(dòng)控<BR> 制器充分利用了DSP 的高速數(shù)據(jù)處理功能和FPGA 的超強(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出<BR> 功能完善、性能優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制器。這類運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供板上的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)<BR> 動(dòng)控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，能夠?qū)?lt;BR> 現(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用FPGA 技術(shù)來進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶<BR> 的特殊工藝要求和技術(shù)要求進(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。<BR> 以上第一類運(yùn)動(dòng)控制器由于其性能的限制，在市場(chǎng)上所占份額較少，主要應(yīng)用于一些<BR> 單軸簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，往往還面臨同PLC 廠商提供的定位控制模塊的激烈競(jìng)爭(zhēng)。第二類運(yùn)<BR> 動(dòng)控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，占有一定的市場(chǎng)份額，但由于其專用芯片（ASIC）能<BR> 提供運(yùn)動(dòng)控制的基本功能，用戶可以利用該芯片設(shè)計(jì)專用的控制器而分薄了這類運(yùn)動(dòng)控制<BR> 器的市場(chǎng)份額。第三類運(yùn)動(dòng)控制器是目前國類運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的主流，目前國外開放式運(yùn)<BR> 動(dòng)控制器產(chǎn)品已經(jīng)開始大量進(jìn)入中國；固高科技（深圳）有限公司相繼開發(fā)出GO、GT、<BR> GH 和GU 系列基于DSP 的開放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品，有近150 個(gè)品種可供用戶選擇；應(yīng)用<BR> 也從傳統(tǒng)的機(jī)床數(shù)控?cái)U(kuò)展到了如激光加工、服裝、紡織、印染、電子加工等多個(gè)領(lǐng)域，市<BR> 場(chǎng)規(guī)模也有較大的增長。<BR> 根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將運(yùn)動(dòng)控制分成以下幾種形式：<BR> ⑴ 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制：這種運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是僅對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過程即<BR> 運(yùn)動(dòng)軌跡無關(guān)。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要求具有快速的定位速度，在運(yùn)動(dòng)的加速段和減速<BR> 段，采用不同的加減速控制策略。在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能夠快速加速到設(shè)定速<BR> 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<BR> 了防止系統(tǒng)到位后震動(dòng)，規(guī)劃到位后，又會(huì)適當(dāng)減小系統(tǒng)的增益。所以，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控<BR> 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。<BR> ⑵ 連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)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(yùn)<BR> 動(dòng)輪廓控制。相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器要解決的問題是如何使系統(tǒng)在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，既<BR> 要保證系統(tǒng)加工的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向速度的恒定。對(duì)小線<BR> 段加工時(shí)，有多段程序預(yù)處理功能。<BR> ⑶ 同步運(yùn)動(dòng)控制：是指多個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，可以是多個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)全程中進(jìn)行<BR> 同步，也可以是在運(yùn)動(dòng)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<BR> 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<BR> 應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制器的控制算法常采用自適應(yīng)前饋控制，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相<BR> 位，來保證在輸入端加一個(gè)與干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾，<BR> 保證系統(tǒng)的同步控制。<BR> 固高科技公司從開發(fā)應(yīng)用的角度把其產(chǎn)品相應(yīng)地分成三類，他們是點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制器，<BR> 連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制器和同步運(yùn)動(dòng)控制器。從目前國內(nèi)市場(chǎng)的應(yīng)用情況反饋來看，按照不同<BR> 的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)推廣，具有一定的優(yōu)勢(shì)。<BR> 固高科技公司的通用運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品采用以DSP 為核心，結(jié)合FPGA 現(xiàn)場(chǎng)邏輯可編程<BR> 器件的靈活性完成運(yùn)動(dòng)控制的硬件架構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制過程中，由DSP 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，多軸插<BR> 補(bǔ)、伺服控制濾波等數(shù)據(jù)運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制管理。FPGA 邏輯可編程器件和其他相關(guān)器件組成<BR> 伺服控制和位置反饋硬件接口。為了滿足市場(chǎng)需求，使運(yùn)動(dòng)控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_<BR> 放式控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，固高科技公司的GT 系列產(chǎn)品考慮了用戶可以將自己設(shè)計(jì)的<BR> 控制算法加載到運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)存中，而無需改<BR> 變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以重新構(gòu)造一個(gè)特<BR> 殊用途的運(yùn)動(dòng)控制器。<BR> 根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和對(duì)象，固高科技公司<BR> 的運(yùn)動(dòng)控制器采用多種改進(jìn)型的PID 控制算法，<BR> 例如綜合了積分分離的PID 控制算法；帶死區(qū)<BR> 的PID 控制算法等。在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，比例、<BR> 積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性<BR> 高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。而且PID 控制與<BR> 其它控制算法結(jié)合，形成了許多有價(jià)值的控制策<BR> 略，例如自適應(yīng)PID 控制、智能PID 控制等。傳統(tǒng)的PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其輸入、<BR> 輸出關(guān)系可表示為：<BR> Kp<BR> I K<BR> dt ò<BR> d<BR> d<BR> K<BR> dt<BR> +<BR> +<BR> + e(t) m(t)<BR> 圖1 PID 控制器結(jié)構(gòu)<BR> 0<BR> ( )<BR> () () ( ) t<BR> p I D<BR> de t<BR> mt K et K e t dt K<BR> dt<BR> = + + ò<BR> 上式中，Kp、KI、KD 分別為比例、積分、微分增益，e(t)為偏差控制信號(hào)，m(t)為控制器<BR> 輸出。對(duì)強(qiáng)耦合、周期性、多頻擾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)控制精度要求高的場(chǎng)合，常規(guī)PID 調(diào)節(jié)就難以<BR> 得到滿意的控制效果。對(duì)于周期性、多頻擾動(dòng)常見的控制方法有以下幾種：<BR> (1) 學(xué)習(xí)控制是一種通過重復(fù)的試運(yùn)行來形成目標(biāo)輸入，從而在有限時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生所需<BR> 輸出的方法，它被認(rèn)為是一種對(duì)目標(biāo)輸入的逆系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)生成的方法。<BR> (2) 自適應(yīng)前饋控制是通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量的幅值和相位，來保證在輸入端加一個(gè)與<BR> 干擾幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干擾。<BR> (3) 內(nèi)模控制（Internal Model Control）是將干擾模型包含在反饋環(huán)內(nèi)，控制器的設(shè)計(jì)<BR> 主要是選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)膫鬟f函數(shù)，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且具有期望的輸入、輸出性<BR> 能，以抑制周期性干擾。這種方法還可處理多頻干擾問題。<BR> (4) 重復(fù)控制則是采用內(nèi)模原理，通過建立重復(fù)補(bǔ)償器和穩(wěn)定化補(bǔ)償器，使系統(tǒng)具有<BR> 內(nèi)部穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)魯棒性，進(jìn)而抑制周期性干擾。<BR> 由于運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，為了適應(yīng)新的情況、特定環(huán)境和對(duì)象，不斷<BR> 會(huì)有新的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、多軸插補(bǔ)和控制濾波算法出現(xiàn)。<BR> 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化的“制器之技”，運(yùn)動(dòng)控制器不但在傳統(tǒng)的機(jī)械數(shù)控行業(yè)<BR> 有著廣泛的應(yīng)用，而且在新興的電子制造和信息產(chǎn)品的制造業(yè)中起著不可替代的作用。通<BR> 用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已逐步發(fā)展成為一種高度集成化的技術(shù)，不但包含通用的多軸速度、位置<BR> 控制技術(shù)，而且與應(yīng)用系統(tǒng)的工藝條件和技術(shù)要求緊密相關(guān)。事實(shí)上，應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要<BR> 求，特別是一個(gè)行業(yè)的工藝技術(shù)要求也促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制器的功能的發(fā)展。通用運(yùn)動(dòng)控制器<BR> 的許多功能都是同工藝技術(shù)要求密切相關(guān)的，通用運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用不但簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)<BR> 甚至簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。通用運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能在多個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用：<BR> （1） 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能 實(shí)際上是形成運(yùn)動(dòng)的速度和位置的基準(zhǔn)量。合適的基準(zhǔn)量不但<BR> 可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)械傳遞元件<BR> 的要求。通用運(yùn)動(dòng)控制器通常都提供基于對(duì)沖擊（Jerk）、加速度和速度等這些可<BR> 影響動(dòng)態(tài)軌跡精度的量值加以限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，用戶可以直接調(diào)用相應(yīng)的函<BR> 數(shù)。對(duì)于加速度進(jìn)行限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生梯形速度曲線；對(duì)于沖擊進(jìn)行限制的運(yùn)<BR> 動(dòng)規(guī)劃產(chǎn)生S 形速度曲線。一般說來，對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，采用加速度和速度基<BR> 準(zhǔn)量限制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，就足已獲得一種優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于高加速度、小<BR> 行程運(yùn)動(dòng)的快速定位系統(tǒng)如PCB 鉆床、SMT 機(jī)，其定位時(shí)間和超調(diào)量都有嚴(yán)格的<BR> 要求，往往需要高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。<BR> （2） 多軸插補(bǔ)、連續(xù)插補(bǔ)功能 通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的多軸插補(bǔ)功能在數(shù)控機(jī)械行<BR> 業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，由于雕刻機(jī)市場(chǎng)，特別是模具雕刻機(jī)市場(chǎng)的快速<BR> 發(fā)展，推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)控制器的連續(xù)插補(bǔ)功能的發(fā)展。在模具雕刻中存在大量的短小<BR> 線段加工，要求段間加工速度波動(dòng)盡可能小，速度的變化的拐點(diǎn)要平滑過渡，這<BR> 樣要求運(yùn)動(dòng)控制器由速度前瞻（Look ahead）和連續(xù)插補(bǔ)的功能。固高科技公司推<BR> 出了專門應(yīng)用于小線段加工工藝的連續(xù)插補(bǔ)型運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器在模具雕刻、<BR> 激光雕刻、平面切割等領(lǐng)域獲得了良好的應(yīng)用。<BR> （3） 電子齒輪與電子凸輪功能 不但可以大大地簡(jiǎn)化機(jī)械設(shè)計(jì)，而且可以實(shí)現(xiàn)許多<BR> 機(jī)械齒輪與凸輪難以實(shí)現(xiàn)的功能。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比<BR> 同步運(yùn)動(dòng)，這使得運(yùn)動(dòng)控制器在定長剪切（fixed-length cutting）和無軸傳動(dòng)的套色<BR> 印刷方面有很好的應(yīng)用。另外，電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以設(shè)定的齒<BR> 輪比跟隨一個(gè)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定；一個(gè)軸也可以<BR> 以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度。如工業(yè)縫紉機(jī)和絎縫機(jī)的應(yīng)用中，Z<BR> 軸（縫線軸）可以跟隨XY 軸（移動(dòng)軸）的合成速度，從而使縫針腳距均勻。電<BR> 子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機(jī)械凸輪，極大地簡(jiǎn)化了加工<BR> 工藝。這個(gè)功能使運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機(jī)驅(qū)<BR> 動(dòng)彈簧機(jī)等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用。<BR> （4） 比較輸出功能 是指在運(yùn)動(dòng)過程中，位置到達(dá)設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器輸<BR> 出一個(gè)或多個(gè)開關(guān)量，而運(yùn)動(dòng)過程不受影響。如在AOI 的飛行檢測(cè)（Flying<BR> inspection）中，運(yùn)動(dòng)控制器的比較輸出功能使系統(tǒng)運(yùn)行到設(shè)定的位置即啟動(dòng)CCD<BR> 快速攝像，而運(yùn)動(dòng)并不受影響，這樣極大地提高了效率，改善了圖像質(zhì)量。另外，<BR> 在激光雕刻應(yīng)用中，固高科技公司的通用運(yùn)動(dòng)控制器的這項(xiàng)功能也獲得了很好的<BR> 應(yīng)用。<BR> （5） 探針信號(hào)鎖存功能 可以鎖存探針信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻，各運(yùn)動(dòng)軸的位置，其精度<BR> 只與硬件電路相關(guān)，不受軟件和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)慣性的影響，在CMM 測(cè)量行業(yè)有良好<BR> 的應(yīng)用。<BR> 另外，越來越多的OEM 廠商希望將他們自己豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)集成到運(yùn)動(dòng)控制中<BR> 去，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和控制對(duì)象，個(gè)性化設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的功能。固高科技公司已經(jīng)<BR> 開發(fā)了通用運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，使通用運(yùn)動(dòng)控制器具有真正面向?qū)ο蟮拈_放式控制<BR> 結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重構(gòu)能力，用戶可以將自己設(shè)計(jì)的控制算法加載到運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)存中，而無<BR> 需改變控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以重新構(gòu)造一個(gè)特殊用途的專用運(yùn)動(dòng)控制器。<BR> 今后基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器仍然是市場(chǎng)的主流，但是，基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式<BR> 運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)有較大的發(fā)展�；谟�(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的通用運(yùn)動(dòng)控制器主要是板卡結(jié)構(gòu)，采<BR> 用的總線大都為ISA、PCI。由于它們的應(yīng)用依附于通用PC 計(jì)算機(jī)平臺(tái)，從工業(yè)控制的角<BR> 度分析，這種運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)如下。<BR> 優(yōu)點(diǎn)：<BR> (1) 硬件組成簡(jiǎn)單，把運(yùn)動(dòng)控制器插入PC 總線，連接信號(hào)線就可組成系統(tǒng)；<BR> (2) 可以使用PC 機(jī)已經(jīng)具有的豐富軟件進(jìn)行開發(fā)；<BR> (3) 運(yùn)動(dòng)控制軟件的代碼通用性和可移植性較好；<BR> (4) 可以進(jìn)行開發(fā)工作的工程人員較多，不需要太多培訓(xùn)工作，就可以進(jìn)行開發(fā)。<BR> 缺點(diǎn)：<BR> (1) 采用板卡結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器采用金手指連接，單邊固定，在多數(shù)環(huán)境較差的工業(yè)<BR> 現(xiàn)場(chǎng)（振動(dòng)，粉塵，油污嚴(yán)重），不適宜長期工作。<BR> (2) PC 資源浪費(fèi)。由于PC 的捆綁方式銷售，用戶實(shí)際上僅使用少部分PC 資源，未使<BR> 用的PC 資源不但造成閑置和浪費(fèi)，還帶來維護(hù)上的麻煩。<BR> (3) 整體可靠性難以保證，由于PC 的選擇可以是工控機(jī)，也可以是商用機(jī)。系統(tǒng)集成<BR> 后，可靠性差異很大。并不是由運(yùn)動(dòng)控制器能保證的。<BR> (4) 難以突出行業(yè)特點(diǎn)。不同行業(yè)、不同設(shè)備其控制面板均有不同的特色和個(gè)性。<BR> 嵌入式PC 的運(yùn)動(dòng)控制器能夠克服以上缺點(diǎn)。這種產(chǎn)品會(huì)有較好的市場(chǎng)前景。由于SOM<BR> （system on module）和SOC（system on chip）技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式PC 運(yùn)動(dòng)控制器獲<BR> 得了良好的發(fā)展。嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品可以很方便地將在PC 上開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，不加任<BR> 何改動(dòng)就可以很方便地移植過來。作為用戶來講，他們僅僅開發(fā)跟其具體項(xiàng)目有關(guān)、相對(duì)<BR> 獨(dú)立的人機(jī)界面就可以了。由于嵌入式PC 的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)具有標(biāo)準(zhǔn)PC 的接口功能，用戶<BR> 不需要再購買工業(yè)PC 就能很方便的組成他們自己的系統(tǒng)。這種嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器既提高了<BR> 整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，有時(shí)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔和高度集成化。<BR> 隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制器獲得了極大的發(fā)展，并已<BR> 經(jīng)開始應(yīng)用于多軸同步控制中。越來越多的傳統(tǒng)的以機(jī)械軸同步的系統(tǒng)開始采用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)<BR> 控制器控制的電機(jī)軸控制，這樣可以減少系統(tǒng)地維護(hù)和增加系統(tǒng)的柔性。<BR> 由于我國的特殊市場(chǎng)需求，一些其它的專用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也會(huì)越來越多。例如圖象伺<BR> 服控制的專用運(yùn)動(dòng)控制器，力伺服的專用運(yùn)動(dòng)控制器等。根據(jù)用戶的應(yīng)用要求進(jìn)行客制化<BR> 的重構(gòu)，設(shè)計(jì)出個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)控制器將成為市場(chǎng)應(yīng)用的一大方向。<BR> 一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制<BR> 器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令有運(yùn)動(dòng)控制器給出，因此運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的<BR> 靈魂。用戶必需使用通用運(yùn)動(dòng)控制器提供的標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)自己的應(yīng)用系統(tǒng)<BR> 的工藝條件，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制器的相關(guān)功能，開發(fā)出集成了自己的工藝特點(diǎn)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)<BR> 用系統(tǒng)。同時(shí)，用戶還需要了解構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的其他部件，必須保證機(jī)械系統(tǒng)的完備，<BR> 才能集成出高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。從我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況來看，通用運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)<BR> 用和市場(chǎng)僅僅是剛剛啟動(dòng)。與美國和歐洲發(fā)達(dá)國家相比，我國在運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)開發(fā)上政<BR> 府的投入很少，在該領(lǐng)域沒有形成統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。高等院校的教育還沒有跟上，沒有培<BR> 養(yǎng)出一大批能夠開發(fā)和應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制器的人才。在市場(chǎng)推廣過程中碰到的最大困難就是國<BR> 內(nèi)的系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商缺乏應(yīng)用工程師。使得運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用工作受阻，售后技<BR> 術(shù)支持難度加大。因此，快速培養(yǎng)一大批運(yùn)動(dòng)控制器的開發(fā)應(yīng)用人才是加快新的技術(shù)革命<BR> 和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵。<BR> 參考文獻(xiàn)<BR> ⑴ 李澤湘，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史，固高科技公司宣傳資料<BR> ⑵ 蔣仕龍，固高科技公司運(yùn)動(dòng)控制器高級(jí)培訓(xùn)教程<BR> ⑶ 吳宏 等，通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展，2003 年中國機(jī)械工程協(xié)會(huì)年會(huì)論文集<BR> ⑷ 蔣仕龍 等，開放式運(yùn)動(dòng)控制器及其應(yīng)用案例，2003 年中國機(jī)械工程協(xié)會(huì)年會(huì)論文集<BR> ⑸ Von Hans Groβ 等， 自動(dòng)化技術(shù)中得進(jìn)給電氣傳動(dòng)（基礎(chǔ)、計(jì)算、設(shè)計(jì)），機(jī)械工業(yè)出版社<BR> ⑹ P. K. Wright. Open architecture manufacturing: The impact of open computer systems on self sustaining<BR> machinery and the machine tool industry[C]. Proceeding of the Manufacturing International ’90-Part 2:<BR> Advances in Manufacturing Systems, Atlanta, GA. Mar. 1990: 41~47.<BR> ⑺ N Arda Erol, Yusuf Altintas, Mabo Robert Ito. Open System Architecture Modualar Tool Kit for Motion and<BR> Machining Process Control[J].ASME Transactions On Mechatronics, 2000,5(3): 281~291.<BR> ⑻ 杜建銘，基于Agility 的開放式網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)及其在滾齒加工中的應(yīng)用研究，博士論文，西安交通大<BR> 學(xué)，2003<BR> 作者簡(jiǎn)介：蔣仕龍，男，1968 年生，固高科技（深圳）有限公司，市場(chǎng)部經(jīng)理。研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、機(jī)<BR> 器人控制技術(shù)。
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