一、運動控制系統概述 現代運動控制是一個綜合性、多學科交叉的研究領域 ·電力電子學 ·微電子技術 ·計算機技術 ·控制理論 ·系統仿真與輔助設計 ·網絡與通信 運動控制系統向數字化、網絡化發展 以微電子技術、通信技術、計算機技術的發展為契機，在數控技術需求的推動下，現代運動控制系統的面貌發生了巨大變化。具體體現在： –高度集成化、模塊化。硬件結構簡單且趨于標準化。功能軟件化、柔性化； –系統信息存儲、監控及診斷、分級控制、遠程控制、掛網運行等已成為現實； –性能優越的各種智能控制算法具備了現實基礎。 –系統不再局限于一個被控電機和一個調節器，隨著被控對象多元化和生產工藝復雜化，眾多控制單元必須互相配合、協調運行。 現代運動控制系統的構成主要有兩種形式： –基于PC的伺服控制系統 –基于以太網的伺服控制系統 從系統構成來看，主要有以下部分： –PC機/網絡 –運動控制器 –伺服驅動器 –其他，如基本I/O、傳感器、總線接口、通信接口等 1）PC機/網絡 PC機（或網絡）作為上位機，其主要功能是依據生產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化為伺服驅動器的運動，完成多軸復合控制任務時，要完成多輸入多輸出，以及各軸之間的協調控制。 2）運動控制器 運動控制器是實現運動控制的一個基礎平臺。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。它是上位機和驅動器之間的橋梁。 3）伺服驅動器 伺服驅動器是運動控制系統中的執行機構，以實現快速、精確跟蹤為主要任務，要求其輸出能以一定精度復現輸入量的變化。從控制方式上，以執行電機來分，可分為： –永磁直流伺服電機驅動器。它的優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、大轉矩場合，經常需要維護，已逐漸被交流伺服所替代。 –永磁同步伺服電機驅動系統。永磁同步電機體積小，重量輕，輸出轉矩大，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。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。優點是能高速運行，大轉矩輸出，高速時較容易實現恒功率輸出，耐環境能力強，堅固耐用。缺點是控制較復雜，效率比永磁伺服電機低，參數變化可引起磁場定向不準，影響性能。 二、運動控制器 運動控制器的開發與應用可以縮短新產品的開發周期，將是未來數控系統的核心部件。 實現開放性、互換性、可移植性以及可擴展性是開放式運動控制技術的主要研究內容。 1、結構形式 –根據控制對象，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一結構，即一種硬件適用于多種伺服電機系統； –根據總線形式，分為ISA接口、PCI接口、CAN總線、RS232/RS485等； –總體結構上分為PC插卡式和網絡式。 ·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。具有高速數據處理能力的數字信號處理器DSP能很好地完成伺服控制算法、多軸協調控制的運動軌跡規劃，以及誤差補償等閉環控制功能。大規?，F場可編程陣列（FPGA）具有超強的邏輯處理能力，適應不同應用系統的接口要求，是一種開放性良好的運動控制器結構，通過ISA或PCI與PC機相連。 ·基于以太網的運動控制器 運動控制技術與網絡技術相結合，在國內研究還處于起步階段。網絡技術的引入使大范圍的運動協調控制成為可能，便于實現集中的分布式控制，便于將運動控制系統集成至車間、廠級ERP，使系統更加有效工作。 需要研究的問題是網絡環境下驅動控制關鍵技術，如高速、高精伺服實現，多軸伺服參數自調整絕對同步的實現。需要解決包括變傳輸周期、網絡誘導時延、數據包丟失、同步等關鍵技術。 2、運動控制器的功能 ·運動軌跡規劃功能。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化動態過程； ·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備聯接的接口設備； ·能迅速建立高層應用程序與機床或其他設備之間的控制及測試數據交換； ·伺服控制策略。智能控制、參數辨識以實現柔性伺服。 基于DSP+FPGA的開放式伺服與主軸統一控制平臺研發 ·平臺的特點 –伺服與主軸硬件一體化設計 –控制方案：DC有刷電機、DC無刷電機、AC無刷電機（PMSM）、AC感應電機 –通信通道：RS232/RS485、CAN、并行I/O –柔性結構可以實現位置控制、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 –針對中大容量高速主軸解決制動能量吸收及實現技術，這是主軸伺服大容量化和系列化的關鍵技術。 –實現方案有兩種：其一是AC/DC、DC/AC解耦控制。其二是CIS整流/逆變一體化控制。 –基本出發點，以能量平衡為出發點，即用多少取多少，減少存儲，以此為基礎把逆變器電機部分（VSIM）看作直流電源即整流器（VSM）的負載，設計控制規律，使電網輸入功率 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，如圖3所示。 根據 Akagi 瞬時無功功率理論，設為電機輸入有功功率和損耗功率之和，則依圖3有 根據同步旋轉坐標系下的VSIM模型和定義瞬時無功功率 可以導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 可以依據功率模塊制造商提供的數據進行估算。 3）整流部分（VSR）瞬時功率估計 在同步旋轉坐標系下，電網輸入到VSR的瞬時有功功率采用電壓、電流雙閉環控制時，可以表示為 4）基于補償法的一體化控制方案 基于以太網的運動控制器 ·子功能模塊 –DSP最小系統模塊 由DSP本身以及晶體振蕩器、復位電路、譯碼電路等組成 –以太網接口模塊 充分利用DSP的有限資源，實現了簡化的TCP/IP協議棧 –PCI接口模塊 采用專用橋接芯片PCI2040，可提供與DSP的無縫聯接。實現了Windows、VxWorks下的驅動支持 –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、脈沖量和開關量的接口模塊 通過CPLD編程實現邏輯和信息/能量轉換 –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； –實時與網絡交換信息； –信息/能量接口，綜合處理多傳感器信息及網絡信息，給出各隨動系統最優運動軌跡指令。 結束語 當前，運動控制技術已呈現出數字化、網絡化的發展勢頭，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！