应用技术 Ｉ■ 简述运动控制技术 孟庆琛 （神华准能设备维修中心生产技术部 内蒙古 薛家湾０１０３００） ［摘 要］在机电一体化系统中，运动控制技术发挥着重要的作用。运动控制系统高定位精度、高运动速度、可编程的高度柔性等特点深刻改变了制造 业、国防工业，甚至我们的日常生活。 ［关键词］运动控制技术运动控制卡 中国分类号：Ｏｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１０）０卜０２５８一Ｏｌ 运动控制起源于早期的伺服控制。简单的说，运动控制就是对机械传动 装置的计算机控制，即对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理， 使其按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。 随着计算机技术和微电子技术的发展，机电一体化技术得到迅速发展，运 动控制技术作为其关键的组成部分，也得到了前所未有的发展。 １运动控制系统的组成 １ １运动控制系统定义 运动控制就是将运动控制器、伺服电机及其驱动器、传感器、传动机 构组合在一起，通过软件编程的方法实现电机位移、速度、加速度和力矩控 制的一门技术。运动控制系统的上位控制方案一般有单片机系统、专业运 动控制ＰＬＣ、专用控制系统和“Ｐｃ＋运动控制卡”。采用单片机系统实现 运动控制，成本较低，但开发难度大、周期长，这种方案散适用于产品批量 较大、控制系统功能简单、有单片机系统开发经验的用户。许多品牌的ＰＬＣ 都可选配定位控制模块，有些ＰＬＣ的ＣＰＵ单元本身就具有运动控制功能，如松 下公司的ＦＰＯ，这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设 备，如送料器、自动焊机等。专用控制系统 般是针对专用设备或专用行 业，比如西门子公司的车床数控系统和铣床数控系统等。“ＰＣ＋运动控制 卡”的方案随着Ｐｃ的普及将是运动控制系统的主要发展趋势，这种方案可充 分利用计算机资源，用于运动过程、机械轨迹都比较复杂，而且柔性比较强的 机器设备，如目前很热门的开放式数控系统。 １ ２运动控制系统的组成 任何一个应用运动控制技术的机电系统至少由四个部分组成：运动控制、 过程控制、人机接口及通讯接口 如下图： （１）运动控制 这是系统中最主要的部分，主要由运动控制器、伺服电机及其驱动器、 传感器及传动机构等部件组成。每一种部件都有很多选择，下表中列出了最 经常使用的几种部件，究竟选择哪一种完全取决于系统的要求。 运动控制器 基于ＰＬｃ ｝基于总线 独立式 侗服电机 文流伺服电机Ｊ童流伺服电机 步进电机 直接驱动电机 传惑器 编码嚣 ｌ旋转变换嚣 电位计 传动机构 滚动丝杠 ｌ齿转齿条 同步齿彤带 减速器 （２）过程控制 机电系统中除运动控制外往往还存在一些开关量的顺序控制，如一些系统 中存在温度、压力、流量等模拟量的采集和控制，通过运动控制器中的开关 量和模拟量接口实现，称之为过程控制。 （３）人机接口 人机接口主要用于系统运动参数及控制参数的输入、作业程序的输入、 运动状态及运动过程的显示、紧急情况下的人为干预等。 （４）通讯接口 接口用于通讯实现系统的远程控制、监视及诊断或将现场的多个系统连 接起来协调动作，使用ＲＳ４２２、ＲＳ４８５或现场总线接口：也有的系统本身不具 有人机接口，由计算机编写好作业程序后通过通讯接口写入到系统的控制器中 后断开连接使系统独立工作，这样的系统往往使用ＲＳ一２３２接口。 １ ３运动控制系统的类型 运动控制系统可以有多种分类方法，如单轴或多轴系统，电气的、液压的 或气动系统，模拟的或数字的系统等。但从运动的特点和系统对控制的要求 方面看，常将运动控制系统分为如下几种类形： （Ｉ）点位控制系统 这类系统的特点是仅对运动过程中的位 、速度、加速度及运动结束 ２５８ ｌ科技博览 时的定位精度提出要求，而对运动轨迹不关心。工业生产中属于这类系统的 应用很多，如包装机械、印刷机械、各种板材，钢材的定长切割，各种自动化 生产线等。 （２）连续轨迹跟踪系统 也称轮廓控制系统，这类系统的特点除运动的位置、速度和加速度外，还 对运动的轨迹跟踪精度提出要求，如各种数控机床，用于焊接的机器人及一些 自动化的武器装备。 （３）同步运动系统 这类系统的运动参数（位置、速度、加速度）往往随一些外部过程的变 化或外部事件的出现而同步改变，这样的系统往往要求运动控制器具有可编程 的电子凸轮、电子齿轮功能或对外部事件的处理能力。 ２运动控制软件系统环境 “Ｐｃ＋运动控制卡”的方案随着Ｐｃ的普及将是运动控制系统的主要发 展趋势。从用户使用的角度来看，Ｐｃ机的运动控制卡主要是功能上的差别， 即硬件接口（输入／输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的 功能函数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制 步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机。数字卡可分为步 进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百Ｋ左右的频率），适用于 控制步进电机：伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺 服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运 动控制卡的主流。 运动控制卡是基于Ｐｃ机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控 制单元，总线形式也是多种多样，通常使用的是ＩＳＡ总线、ＰＣＩ总线。而且由 于计算机主板的更新换代，ＩＳＡ插槽都越来越少了，ＰＣＩ总线的运动控制卡是目 前的主流，卡上专用ＣＰＵ与Ｐｃ机ＣＰＵ构成主从式双ＣＰＵ控制模式，Ｐｃ机ＣＰＵ可 以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作，卡上专用ＣＰＵ来 处理所有运动控制的细节，如升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占 用Ｐｃ机资源，同时随卡还提供功能强大的运动控制软件库，如Ｃ语言运动库、 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤＬＬ动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制问 题。 参考文献 ［１］ 巫莉．电气控制与ＰＬＣ应用．中国电力出版社．北京．２００８：２０—４５． ［２］ 钟约先．林亨．机械系统计算机控制．清华大学出版社．北京．２００１． ［３］ 王仁祥．常用低压电器原理及其控制技术．机械工业出版社．北京． ２００２． ［４］ 李泽湘．运动控制技术的发展历史．固高科技公司宣传资料． ［５］ 吴宏，等．通用运动控制技术的现状与发展，２００３年中国机械工程 协会年会论文集．
