運動控制系統(tǒng)是以電動機為控制對象，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、運動控制器、功率驅(qū)動裝置、電動機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)的電機稱之為伺服電機，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)界的伺服電機包括直流伺服電機、永磁交流伺服電機與感應(yīng)交流伺服電機，其中以永磁交流伺服電機占大多數(shù)。

圖1 典型運動控制系統(tǒng)組成
運動控制器是以中央邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號敏感元件、以電機或動力裝置和執(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電機運動控制器、伺服電機運動控制器和既可以對步進電機進行
控制又可以對交流伺服電機進行控制的運動控制器。

（2）按結(jié)構(gòu)進行分類

· 基于計算機標準總線的運動控制器

基于總線的運動控制器是利用計算機硬件和操作系統(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之間的標準化通用接口功能，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，可以最多同時控制8根軸，與各種類型的主機、放大器、電機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中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部IO之間的標準化通用接口，如同計算機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之間的通信依然是靠計算機總線，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進行遠程診斷，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)

圖2 二軸運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
如圖2所示，整個系統(tǒng)以基于“PC機+運動控制器”為核心，采用NI公司NI7340系列運動控制器NI7342、Telemecaniq
ue驅(qū)動器和交流伺服電動機構(gòu)成一個開放式硬件結(jié)構(gòu)。在該伺服控制系統(tǒng)中，控制器上專用CPU與PC機CPU構(gòu)成主從式雙CPU控制模式。PC機負責(zé)人機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的速度，信號的正負控制電機正反轉(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)事件對計算機系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。