一、運動控制系統(tǒng)概述 現(xiàn)代運動控制是一個綜合性、多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域 ·電力電子學(xué) ·微電子技術(shù) ·計算機技術(shù) ·控制理論 ·系統(tǒng)仿真與輔助設(shè)計 ·網(wǎng)絡(luò)與通信 運動控制系統(tǒng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 以微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展為契機，在數(shù)控技術(shù)需求的推動下，現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的面貌發(fā)生了巨大變化。具體體現(xiàn)在： –高度集成化、模塊化。硬件結(jié)構(gòu)簡單且趨于標準化。功能軟件化、柔性化； –系統(tǒng)信息存儲、監(jiān)控及診斷、分級控制、遠程控制、掛網(wǎng)運行等已成為現(xiàn)實； –性能優(yōu)越的各種智能控制算法具備了現(xiàn)實基礎(chǔ)。 –系統(tǒng)不再局限于一個被控電機和一個調(diào)節(jié)器，隨著被控對象多元化和生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，眾多控制單元必須互相配合、協(xié)調(diào)運行。 現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成主要有兩種形式： –基于PC的伺服控制系統(tǒng) –基于以太網(wǎng)的伺服控制系統(tǒng) 從系統(tǒng)構(gòu)成來看，主要有以下部分： –PC機/網(wǎng)絡(luò) –運動控制器 –伺服驅(qū)動器 –其他，如基本I/O、傳感器、總線接口、通信接口等 1）PC機/網(wǎng)絡(luò) PC機（或網(wǎng)絡(luò)）作為上位機，其主要功能是依據(jù)生產(chǎn)機械加工要求給出加工軌跡指令。運動控制器則接收來自PC機的指令，完成具體功能。如將上位機來的指令轉(zhuǎn)化為伺服驅(qū)動器的運動，完成多軸復(fù)合控制任務(wù)時，要完成多輸入多輸出，以及各軸之間的協(xié)調(diào)控制。 2）運動控制器 運動控制器是實現(xiàn)運動控制的一個基礎(chǔ)平臺。開放式運動控制器大多采用高速信號處理器DSP作為CPU，使其具有強大的運動控制和邏輯處理能力。它是上位機和驅(qū)動器之間的橋梁。 3）伺服驅(qū)動器 伺服驅(qū)動器是運動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)快速、精確跟蹤為主要任務(wù)，要求其輸出能以一定精度復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。從控制方式上，以執(zhí)行電機來分，可分為： –永磁直流伺服電機驅(qū)動器。它的優(yōu)點是控制相對比較簡單，具有高功率密度。缺點是有整流器，不適用于高速、大轉(zhuǎn)矩場合，經(jīng)常需要維護，已逐漸被交流伺服所替代。 –永磁同步伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。永磁同步電機體積小，重量輕，輸出轉(zhuǎn)矩大，功率密度高，無需維護。缺點是伺服電機與控制裝置一一對應(yīng)。目前很多控制裝置在軟件中都附加了自動尋找磁極位置的功能，弱磁相對困難。 –異步伺服電機系統(tǒng)。優(yōu)點是能高速運行，大轉(zhuǎn)矩輸出，高速時較容易實現(xiàn)恒功率輸出，耐環(huán)境能力強，堅固耐用。缺點是控制較復(fù)雜，效率比永磁伺服電機低，參數(shù)變化可引起磁場定向不準，影響性能。 二、運動控制器 運動控制器的開發(fā)與應(yīng)用可以縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，將是未來數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。 實現(xiàn)開放性、互換性、可移植性以及可擴展性是開放式運動控制技術(shù)的主要研究內(nèi)容。 1、結(jié)構(gòu)形式 –根據(jù)控制對象，分為步進電機型、DC直流伺服型和交流伺服型。目前研究的運動控制器趨向統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，即一種硬件適用于多種伺服電機系統(tǒng)； –根據(jù)總線形式，分為ISA接口、PCI接口、CAN總線、RS232/RS485等； –總體結(jié)構(gòu)上分為PC插卡式和網(wǎng)絡(luò)式。 ·基于PC的運動控制器 基于PC的運動控制器通常采用DSP和FPGA作為核心處理器。具有高速數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字信號處理器DSP能很好地完成伺服控制算法、多軸協(xié)調(diào)控制的運動軌跡規(guī)劃，以及誤差補償?shù)乳]環(huán)控制功能。大規(guī)模現(xiàn)場可編程陣列（FPGA）具有超強的邏輯處理能力，適應(yīng)不同應(yīng)用系統(tǒng)的接口要求，是一種開放性良好的運動控制器結(jié)構(gòu)，通過ISA或PCI與PC機相連。 ·基于以太網(wǎng)的運動控制器 運動控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在國內(nèi)研究還處于起步階段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入使大范圍的運動協(xié)調(diào)控制成為可能，便于實現(xiàn)集中的分布式控制，便于將運動控制系統(tǒng)集成至車間、廠級ERP，使系統(tǒng)更加有效工作。 需要研究的問題是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下驅(qū)動控制關(guān)鍵技術(shù)，如高速、高精伺服實現(xiàn)，多軸伺服參數(shù)自調(diào)整絕對同步的實現(xiàn)。需要解決包括變傳輸周期、網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)包丟失、同步等關(guān)鍵技術(shù)。 2、運動控制器的功能 ·運動軌跡規(guī)劃功能。能接收上位機來的指令，通過運算形成實際運動的位置、速度跟蹤，加速度跟蹤以及限制的方法以優(yōu)化動態(tài)過程； ·軟件上配備有完善的伺服控制功能； ·完善的運動軌跡插補功能； ·電子齒輪輸入、輸出功能和方便與機床和機器人等設(shè)備聯(lián)接的接口設(shè)備； ·能迅速建立高層應(yīng)用程序與機床或其他設(shè)備之間的控制及測試數(shù)據(jù)交換； ·伺服控制策略。智能控制、參數(shù)辨識以實現(xiàn)柔性伺服。 基于DSP+FPGA的開放式伺服與主軸統(tǒng)一控制平臺研發(fā) ·平臺的特點 –伺服與主軸硬件一體化設(shè)計 –控制方案：DC有刷電機、DC無刷電機、AC無刷電機（PMSM）、AC感應(yīng)電機 –通信通道：RS232/RS485、CAN、并行I/O –柔性結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)位置控制、速度控制和力矩控制 ·基于平臺的大容量高速主軸伺服控制開發(fā) –針對中大容量高速主軸解決制動能量吸收及實現(xiàn)技術(shù)，這是主軸伺服大容量化和系列化的關(guān)鍵技術(shù)。 –實現(xiàn)方案有兩種：其一是AC/DC、DC/AC解耦控制。其二是CIS整流/逆變一體化控制。 –基本出發(fā)點，以能量平衡為出發(fā)點，即用多少取多少，減少存儲，以此為基礎(chǔ)把逆變器電機部分（VSIM）看作直流電源即整流器（VSM）的負載，設(shè)計控制規(guī)律，使電網(wǎng)輸入功率 跟隨負載功率 變化，達到用需平衡。 1）VSIM輸入功率估計 由異步電機矢量控制系統(tǒng)，如圖3所示。 根據(jù) Akagi 瞬時無功功率理論，設(shè)為電機輸入有功功率和損耗功率之和，則依圖3有 根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的VSIM模型和定義瞬時無功功率 可以導(dǎo)出逆變電機部分的輸入功率的迭代形式 2）變換器損耗估計 可以依據(jù)功率模塊制造商提供的數(shù)據(jù)進行估算。 3）整流部分（VSR）瞬時功率估計 在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，電網(wǎng)輸入到VSR的瞬時有功功率采用電壓、電流雙閉環(huán)控制時，可以表示為 4）基于補償法的一體化控制方案 基于以太網(wǎng)的運動控制器 ·子功能模塊 –DSP最小系統(tǒng)模塊 由DSP本身以及晶體振蕩器、復(fù)位電路、譯碼電路等組成 –以太網(wǎng)接口模塊 充分利用DSP的有限資源，實現(xiàn)了簡化的TCP/IP協(xié)議棧 –PCI接口模塊 采用專用橋接芯片PCI2040，可提供與DSP的無縫聯(lián)接。實現(xiàn)了Windows、VxWorks下的驅(qū)動支持 –USB接口模塊 作為PCI接口的補充，必要時可采用雙通訊機制 –RS422收發(fā)模塊 可滿足遠程要求的串口通訊模塊 –模擬量、脈沖量和開關(guān)量的接口模塊 通過CPLD編程實現(xiàn)邏輯和信息/能量轉(zhuǎn)換 –人機交互接口模塊 液晶顯示、鍵盤等 ·功能特點 –高速實時信息接口，能接收多路傳感器信號，并具有信息融合功能； –實時與網(wǎng)絡(luò)交換信息； –信息/能量接口，綜合處理多傳感器信息及網(wǎng)絡(luò)信息，給出各隨動系統(tǒng)最優(yōu)運動軌跡指令。 結(jié)束語 當前，運動控制技術(shù)已呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展勢頭，許多極具前瞻性的研究工作正在開展。較之以往，其涉及的內(nèi)容和范圍都將更為廣泛。由于精力有限，報告中難免存在疏漏，歡迎大家批評指正！