通用運動控制技術現狀，發展及其應用

 

　　運動控制器已經從以單片機或微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制器，發展到了基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。運動控制技術也由面向傳統的數控加工行業專用運動控制技術而發展為具有開放結構、能結合具體應用要求而快速重組的先進運動控制技術。

　　通用運動控制技術的發展現狀
　　運動控制起源于早期的伺服控制 (ServomechaNIsm)。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。早期的運動控制技術主要是伴隨著數控（CNC）技術、機器人技術（Robotics）和工廠自動化技術的發展而發展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統支持，可以獨立完成運動控制功能、工藝技術要求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行（Stand-alone）的運動控制器。這類控制器主要針對專門的數控機械和其他自動化設備而設計，往往已根據應用行業的工藝要求設計了相關的功能，用戶只需要按照其協議要求編寫應用加工代碼文  
件，利用RS232或者DNC方式傳輸到控制器，控制器即可完成相關的動作。這類控制器往往不能離開其特定的工藝要求而跨行業應用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協議，用戶不能根據應用要求而重組自己的運動控制系統。通用運動控制器的發展成為市場的必然需求。
　　由國家組織的開放式運動控制系統的研究始于1987年，美國空軍在美國政府資助下發表了著名的“NGC（下一代控制器）研究計劃”，該計劃首先提出了開放體系結構控制器的概念，這個計劃的重要內容之一便是提出了“開放系統體系結構標準規格(OSACA)”。自1996年開始，美國幾個大的科研機構對NGC計劃分別發表了相應的研究內容，如在美國海軍支持下，美國國際標準研究院提出了EMC（增強型機床控制器）；由美國通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了OMAC（開放式、模塊化體系結構控制器），其目的是用更開放、更加模塊化的控制結構使制造系統更加具有柔性、更加敏捷。該計劃啟動后不久便公布了一個名為OMAC APT的規范，并促成了一系列相關研究項目的運行。
　　通用運動控制技術作為自動化技術的一個重要分支，在20世紀90年代，國際上發達國家，例如美國進入快速發展的階段。由于有強勁市場需求的推動，通用運動控制技術發展迅速，應用廣泛。近年來，隨著通用運動控制技術的不斷進步和完善，通用運動控制器作為一個獨立的工業自動化控制類產品，已經被越來越多的產業領域接受，并且它已經達到一個引人矚目的市場規模。根據ARC近期的一份研究，世界通用運動控制（General Motion Control GMC）市場已超過40億美元，并且有望在未來5年內綜合增長率達到6.3％。
　　目前，通用運動控制器從結構上主要分為如下3類：
　　⑴ 基于計算機標準總線的運動控制器，它是把具有開放體系結構，獨立于計算機的運動控制器與計算機相結合構成。這種運動控制器大都采用DSP或微機芯片作為CPU，可完成運動規劃、高速實時插補、伺服濾波控制和伺服驅動、外部I/O之間的標準化通用接口功能，它開放的函數庫可供用戶根據不同的需求，在DOS或WINDOWS等平臺下自行開發應用軟件，組成各種控制系統。如美國Deltatau公司的PMAC多軸運動控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT系列運動控制器產品等。目前這種運動控制器是市場上的主流產品。
　　⑵ Soft型開放式運動控制器，它提供給用戶最大的靈活性，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動和外部I/O之間的標準化通用接口。就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM和相應的驅動程序一樣。用戶可以在WINDOWS平臺和其他操作系統的支持下，利用開放的運動控制內核，開發所需的控制功能，構成各種類型的高性能運動控制系統，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性。基于Soft型開放式運動控制器開發的典型產品有美國MDSI公司的Open CNC、德國PA（Power Automation）公司的PA8000NT。美國Soft SERVO公司的基于網絡的運動控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO系列運動控制器產品等。Soft型開放式運動控制的特點是開發、制造成本相對較低，能夠給予系統集成商和開發商更加個性化的開發平臺。
　　⑶ 嵌入式結構的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種產品，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，實質上是基于總線結構的運動控制器的一種變種。對于標準總線的計算機模塊，這種產品采用了更加可靠的總線連








接方式（采用針式連接器），更加適合工業應用。在使用中，采用如工業以太網、RS485、SERCOS、PROFIBUS等現場網絡通信接口聯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品等。
　　我國在運動控制器產品開發方面相對落后，1999年固高科技（深圳）有限公司在深圳成立，她是國內第一家專業開發、生產開放式運動控制器產品的公司。其后，國內又有其他幾家公司進入該領域，但實際上，大多是在國內推廣國外生產的運動控制器產品，真正進行自主開發的公司較少。“八五”期間，我國廣大科研工作者也成功開發了兩種數控平臺和華中Ⅰ型、藍天Ⅰ型、航天Ⅰ型、中華Ⅰ型等4種基本系統，這些系統采用模塊化，嵌入式的軟、硬件結構。其中以華中Ⅰ型較具代表性，它采用工業PC機上插接口卡的結構，運行在DOS平臺上，具有較好的模塊化、層次化特征，具有一定擴展和伸縮性。但從整體來說這些系統是數控系統，不是獨立的開放式運動控制器產品。目前，我國是世  
界上經濟發展最快的國家，市場上新設備的控制需求、傳統設備技術升級、換代對運動控制器的市場需求越來越大。另外由于市場日益競爭的壓力，系統集成商和設備制造商要求運動控制系統向開放式方向發展。同時，經濟型數控市場占有率正在逐漸減小。在這樣的形勢下，我國可以抓住這一機遇，研制出具有自主知識產權，具有高水平、高質量、高可靠性的開放式運動控制器產品。
　　通用運動控制器在國內的應用及發展
　　自20世紀80年代初期，通用運動控制器已經開始在國外多個行業應用，尤其是在微電子行業的應用更加廣泛。而當時運動控制器在我國的應用規模和行業面很小，國內也沒有廠商開發出通用的運動控制器產品。
　　目前，國內運動控制器生產廠商提供的產品大致可以分為3類：
　　⑴ 以單片機或微處理器作為核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢，精度不高，成本相對較低。在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應用。
　　⑵ 以專用芯片（ASIC）作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結構比較簡單，但這類運動控制器大多數只能輸出脈沖信號，工作于開環控制方式。這類控制器對單軸的點位控制場合是基本滿足要求的，但對于要求多軸協調運動和高速軌跡插補控制的設備，這類運動控制器不能滿足要求。由于這類控制器不能提供連續插補功能，也沒有前瞻功能（Look ahead），特別是對于大量的小線段連續運動的場合，如模具雕刻，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算法通常都采用逐點比較法，這樣一來圓弧插補的精度也不高。
　　⑶ 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。這類開放式運動控制器以DSP芯片作為運動控制器的核心處理器，以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。這類運動控制器充分利用了DSP的高速數據處理功能和FPGA的超強邏輯處理能力，便于設計出功能完善、性能優越的運動控制器。這類運動控制器通常都能提供板上的多軸協調運動控制與復雜的運動軌跡規劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠實現閉環控制。由于采用FPGA技術來進行硬件設計，方便運動控制器供應商根據客戶的特殊工藝要求和技術要求進行個性化的定制，形成獨特的產品。
　　以上第一類運動控制器由于其性能的限制，在市場上所占份額較少，主要應用于一些單軸簡單運動的場合，往往還面臨同PLC廠商提供的定位控制模塊的激烈競爭。第二類運動控制器因其結構簡單、成本較低，占有一定的市場份額，但由于其專用芯片（ASIC）能提供運動控制的基本功能，用戶可以利用該芯片設計專用的控制器而分薄了這類運動控制器的市場份額。第三類運動控制器是目前國內運動控制器產品的主流，目前國外開放式運動控制器產品已經開始大量進入中國；固高科技（深圳）有限公司相繼開發出GO、GT、GH和GU系列基于DSP的開放式運動控制器產品，有近150個品種可供用戶選擇；應用也從傳統的機床數控擴展到了如激光加工、服裝、紡織、印染、電子加工等多個領域，市場規模也有較大的增長。
　　根據運動控制的特點和應用領域的不同，可以將運動控制分成以下幾種形式：
　　⑴ 點位運動控制：這種運動控制的特點是僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即運動軌跡無關。相應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，為了使系統能夠快速加速到設定速度，往往提高系統增益和加大加速度，在減速的末段采用S曲線減速的控制策略。為了防止系統到位后震動，規劃到位后，又會適當減小系統的增益。所以，點位運動控制器往往具有在線可變控制參數和可變加減速曲線的能力。
　　⑵ 連續軌跡運動控制：又稱為輪廓控制，主要應用在傳統的數控系統、切割系統的運動輪廓控制。相應的運動控制器要解決的問題是如何使系統在高速運動的情況下，既要保證系統加工的輪廓精度，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，有多段程序預處理功能。
　　⑶ 同步運動控制：是指多個軸之間的運動協調控制，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，主要應用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統控制中。工業上有印染、印刷、造紙、軋鋼、同步剪切等行業。相應的運動控制器的控制算法常采用自適應前饋控制，通過自動調節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，保證系統的同步控制。
　　固高科技公司從開發應用的角度把其產品相應地分成3類，他們是點位運動控制器、連續軌跡運動控制器和同步運  
動控制器。從目前國內市場的應用情況反饋來看，按照不同的運動特點和行業應用進行產品開發和市場推廣，具有一定的優勢。
　　固高科技公司的通用運動控制器產品采用以DSP為核心，結合FPGA現場邏輯可編程器件的靈活性完成運動控制的硬件架構。運動控制過程中，由DSP實現運動規劃，多軸插補、伺服控制濾波等數據運算和實時控制管理。FPGA邏輯可編程器件和其他相關器件組成伺服控制和位置反饋硬件接口。為了滿足市場需求，使運動控制器具有真正面向對象的開放式控制結構和系統重構能力，固高科技公司的GT系列產品考慮了用戶可以將自己設計的控制算法加載到運動控制器的內存中，而無需改變控制系統的結構設計就可以重新構造一個特殊用途的運動控制器。

圖1：PID控制器結構#p#分頁標題#e#

 

　　根據不同的應用場合和對象，固高科技公司的運動控制器采用多種改進型的PID控制算法，例如綜合了積分分離的PID控制算法；帶死區的PID控制算法等。在運動控制領域中，比例、積分、微分(PID)調節器以其結構簡單，可靠性高等優點得到了廣泛的應用。而且PID控制與其他控制算法結合，形成了許多有價值的控制策略，例如自適應PID控制、智能PID控制等。傳統的PID控制器結構如圖1所示。其輸入、輸出關系可表示為：

#p#分頁標題#e#

 

　　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，m(t)為控制器輸出。對強耦合、周期性、多頻擾動等運動控制精度要求高的場合，常規PID調節就難以得到滿意的控制效果。對于周期性、多頻擾動常見的控制方法有以下幾種：
　　(1) 學習控制是一種通過重復的試運行來形成目標輸入，從而在有限時間內產生所需輸出的方法，它被認為是一種對目標輸入的逆系統進行反復生成的方法。
　　(2) 自適應前饋控制是通過自動調節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。
　　(3) 內模控制（Internal Model Control）是將干擾模型包含在反饋環內，控制器的設計主要是選擇一個適當的傳遞函數，使閉環系統穩定，且具有期望的輸入、輸出性能，以抑制周期性干擾。這種方法還可處理多頻干擾問題。
　　(4) 重復控制則是采用內模原理，通過建立重復補償器和穩定化補償器，使系統具有內部穩定性和穩態魯棒性，進而抑制周期性干擾。
　　由于運動控制器的應用范圍越來越廣泛，為了適應新的情況、特定環境和對象，不斷會有新的運動規劃、多軸插補和控制濾波算法出現。
　　運動控制技術已經成為現代化的“制器之技”，運動控制器不但在傳統的機械數控行業有著廣泛的應用，而且在新興的電子制造和信息產品的制造業中起著不可替代的作用。通用運動控制技術已逐步發展成為一種高度集成化的技術，不但包含通用的多軸速度、位置控制技術，而且與應用系統的工藝條件和技術要求緊密相關。事實上，應用系統的技術要求，特別是一個行業的工藝技術要求也促進了運動控制器的功能的發展。通用運動控制器的許多功能都是同工藝技術要求密切相關的，通用運動控制器的應用不但簡化了機械結構甚至簡化了生產工藝。通用運動控制器的主要功能在多個行業得到廣泛的應用：
　　（1） 運動規劃功能   該功能實際上是形成運動的速度和位置的基準量。合適的基準量不但可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對傳動系統以及機械傳遞元件的要求。通用運動控制器通常都提供基于對沖擊（Jerk）、加速度和速度等這些可影響動態軌跡精度的量值加以限制的運動規劃方法，用戶可以直接調用相應的函數。對于加速度進行限制的運動規劃產生梯形速度曲線；對于沖擊進

 

 

行限制的運動規劃產生S形速度曲線。一般說來，對于數控機床而言，采用加速度和速度基準量限制的運動規劃方法，就足已獲得一種優良的動態特性。對于高加速度、小行程運動的快速定位系統如PCB鉆床、SMT機，其定位時間和超調量都有嚴格的要求，往往需要高階導數連續的運動規劃方法。
　　（2） 多軸插補、連續插補功能   通用運動控制器提供的多軸插補功能在數控機械行業獲得了廣泛的應用。近年來，由于雕刻機市場，特別是模具雕刻機市場的快速發展，推動了運動控制器的連續插補功能的發展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工，要求段間加工速度波動盡可能小，速度的變化的拐點要平滑過渡，這樣要求運動控制器有速度前瞻（Look ahead）和連續插補的功能。固高科技公司推出了專門應用于小線段加工工藝的連續插補型運動控制器，該控制器在模具雕刻、激光雕刻、平面切割等領域獲得了良好的應用。
　　（3） 電子齒輪與電子凸輪功能    該功能不但可以大大地簡化機械設計，而且可以實現許多機械齒輪與凸輪難以實現的功能。電子齒輪可以實現多個運動軸按設定的齒輪比同步運動，這使得運動控制器在定  
長剪切（fixed-length cutting）和無軸傳動的套色印刷方面有很好的應用。另外，電子齒輪功能還可以實現一個運動軸以設定的齒輪比跟隨一個函數，而這個函數由其他的幾個運動軸的運動決定；一個軸也可以以設定的比例跟隨其他兩個軸的合成速度。如工業縫紉機和絎縫機的應用中，Z軸（縫線軸）可以跟隨XY軸（移動軸）的合成速度，從而使縫針腳距均勻。電子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機械凸輪，極大地簡化了加工工藝。這個功能使運動控制器在機械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機驅動彈簧機等領域有良好的應用。
　　（4） 比較輸出功能   該功能是指在運動過程中，位置到達設定的坐標點時，運動控制器輸出一個或多個開關量，而運動過程不受影響。如在AOI的飛行檢測（Flying inspection）中，運動控制器的比較輸出功能使系統運行到設定的位置即啟動CCD快速攝像，而運動并不受影響，這樣極大地提高了效率，改善了圖像質量。另外，在激光雕刻應用中，固高科技公司的通用運動控制器的這項功能也獲得了很好的應用。
　　（5） 探針信號鎖存功能   該功能可以鎖存探針信號產生的時刻，各運動軸的位置，其精度只與硬件電路相關，不受軟件和系統運動慣性的影響，在CMM測量行業有良好的應用。
　　另外，越來越多的OEM廠商希望將他們自己豐富的行業應用經驗集成到運動控制中去，針對不同的應用場合和控制對象，個性化設計運動控制器的功能。固高科技公司已經開發了通用運動控制器應用開發平臺，使通用運動控制器具有真正面向對象的開放式控制結構和系統重構能力，用戶可以將自己設計的控制算法加載到運動控制器的內存中，而無需改變控制系統的結構設計就可以重新構造一個特殊用途的專用運動控制器。
　　今后基于計算機標準總線的運動控制器仍然是市場的主流，但是，基于網絡的嵌入式運動控制器會有較大的發展。基于計算機標準總線的通用運動控制器主要是板卡結構，采用的總線大都為ISA、PCI。由于它們的應用依附于通用PC計算機平臺，從工業控制的角度分析，這種運動控制器的優缺點如下。
　　嵌入式PC的運動控制器能夠克服以上缺點。這種產品會有較好的市場前景。由于SOM（system on module）和SOC（system on chip）技術的快速發展，嵌入式PC運動控制器獲得了良好的發展。嵌入式運動控制器產品可以很方便地將在PC上開發的應用系統，不加任何改動就可以很方便地移植過來。作為用戶來講，他們僅僅開發跟其具體項目有關、相對獨立的人機界面就可以了。由于嵌入式PC的運動控制平臺具有標準PC的接口功能，用戶不需要再購買工業PC就能很方便的組成他們自己的系統。這種嵌入式運動控制器既提高了整個系統的可靠性，有時系統更加簡潔和高度集成化。
　　隨著工業現場網絡總線技術的發展，基于網絡的運動控制器獲得了極大的發展，并已經開始應用于多軸同步控制中。越來越多的傳統的以機械軸同步的系統開始采用網絡運動控制器控制的電機軸控制，這樣可以減少系統地維護和增加系統的柔性。
　　由于我國的特殊市場需求，一些其他的專用運動控制系統也會越來越多。例如圖像伺服控制的專用運動控制器，力伺服的專用運動控制器等。根據用戶的應用要求進行客制化的重構，設計出個性化的運動控制器將成為市場應用的一大方向。
　　一個典型的運動控制系統主要由運動部件、傳動機構、執行機構、驅動器和運動控制器構成，整個系統的運動指令有運動控制器給出，因此運動控制器是整個運動控制系統的靈魂。用戶必須使用通用運動控制器提供的標準功能進行二次開發，根據自己的應用









系統的工藝條件，應用運動控制器的相關功能，開發出集成了自己的工藝特點和行業經驗的應用系統。同時，用戶還需要了解構成運動控制系統的其他部件，必須保證機械系統的完備，才能集成出高質量的運動控制系統。從我國的經濟發展的情況來看，通用運動控制器的應用和市場僅僅是剛剛啟動。與美國和歐洲發達國家相比，我國在運動控制器技術開發上政府的投入很少，在該領域沒有形成統一的產品標準。高等院校的教育還沒有跟上，沒有培養出一大批能夠開發和應用運動控制器的人才。在市場推廣過程中碰到的最大困難就是國內的系統集成商和設備制造商缺乏應用工程師，使得運動控制器的應用工作受阻，售后技術支持難度加大。因此，快速培養一大批運動控制器的開發應用人才是加快新的技術革命和新的產業革命的關鍵。

　　優點
　　(1) 硬件組成簡單，把運動控制器插入PC總線，連接信號線就可組成系統。
　　(2) 可以使用PC機已經具有的豐富軟件進行開發。
　　(3) 運動控制軟件的代碼通用性和可移植 性較好。
　　(4) 可以進行開發工作的工程人員較多，不需要太多培訓工作，就可以進行開發。
　　缺點
　　(1) 采用板卡結構的運動控制器采用金手指連接，單邊固定，在多  
數環境較差的工業現場（振動，粉塵，油污嚴重），不適宜長期工作。
　　(2) PC資源浪費。由于PC的捆綁方式銷售，用戶實際上僅使用少部分PC資源，未使用的PC資源不但造成閑置和浪費，還帶來維護上的麻煩。
　　(3) 整體可靠性難以保證。由于PC的選擇可以是工控機，也可以是商用機。系統集成后，可靠性差異很大。并不是由運動控制器能保證的。
　　(4) 難以突出行業特點。不同行業、不同設備其控制面板均有不同的特色和個性。

　　蔣仕龍，固高科技（深圳）有限公司市場部經理。研究方向為運動控制技術、先進制造技術、機器人控制技術。