现代运动控制系统及其应用

，主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速度的恒定。对小线段加工时，有多段程序预处理功能。

同步运动控制

是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全程中进行同步，也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。工业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪切等行业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。

运动控制器的应用举例

开放式运动控制系统的硬件结构

图2　二轴运动控制系统结构图

如图2所示，整个系统以基于“pc机+运动控制器”为核心，采用ni公司ni7340系列运动控制器ni7342、telemecanique驱动器和交流伺服电动机构成一个开放式硬件结构。在该伺服控制系统中，控制器上专用cpu与pc机cpu构成主从式双cpu控制模式。pc机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作，例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送和外部信号i/o的监控等。运动控制器配备内容丰富、功能强大的运动函数库，供用户使用完成电动机的运动规划。系统采取模拟量输出的位置控制方式，图2中，模拟信号的大小控制电机的速度，信号的正负控制电机正反转，以实现二轴的位置控制。x轴和y轴原点、限位检测是通过一组机械来实现，原点检测开关作为每个轴的零点位置，限位检测开关确保每轴工作行程极限。这些状态信号送入运动控制卡状态寄存器后由cpu随时读出，达到对i/o状态信号的检测。在硬件上，运动控制器上的光电隔离措施既隔离了外设对内部数字系统的干扰，有能有效防止过电压、过电流等外界突发事件对计算机系统的损坏，大大提高了系统的控制精度和可靠性。

运动控制系统的软件开发

运动控制器同时还配备有运动函数库，函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数，如单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动以及多轴同步运动等等。基于ni7342运动控制器组成的控制系统，可采用labview、vb、vc多种语言开发用户自己的应用程序。由于labview本身同为ni公司产品，利用它开发是最支持也是最方便的。作为一种图形化编程语言，它和其他高级语言一样，提供各种循环和结构，以虚拟仪器vi (virtual instrument)的形式代替其他语言的函数功能，ni专门为用户提供了运动控制的vi-ni-motion，用户利用labview技术编写图形程序可以方便的实现调用，同时也便于设计友好的人机界面，便于人机交互和管理。系统的程序结构模块如图3所示，除了主体的运动控制程序外，还包括初始化、与pc实时数据交互、系统保护、状态监测等部分。labview内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。利用它还可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。

图3　二轴系统软件模块

运动控制器的发展现状与趋势

运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。运动控制器采用了开放式结构，使用简便，功能丰富，可靠性高。若采用pc机的pci总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制器的可靠性和抗干扰能力;在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。运动控制器已经从以单片机或微处理器为核心的运动控制器和以专业芯片(asic)作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于pc总线的以dsp和fpga作为核心处理器的开放式运动控制器。同时，将运动控制技术与网络技术有机结合是当前一个新的研究发展方向。在一般的控制器与驱动器的控制架构下，存在配线多、同步特性差、非全数字化等缺点，而且很难由外界控制器度曲并实时调整伺服参数。随着以太网技术的发展与运用，可以运用网络通讯的方案来解决传统运动控制架构中的问题。例如在串行运动控制网络中，ieee-1394、sercos-ⅱ等通