一、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)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(jì)算機(jī)技術(shù) ·控制理論 ·系統(tǒng)仿真與輔助設(shè)計(jì) ·網(wǎng)絡(luò)與通信 運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為契機(jī)，在數(shù)控技術(shù)需求的推動(dòng)下，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單且趨于標(biāo)準(zhǔn)化。功能軟件化、柔性化； –系統(tǒng)信息存儲(chǔ)、監(jiān)控及診斷、分級(jí)控制、遠(yuǎn)程控制、掛網(wǎng)運(yùn)行等已成為現(xiàn)實(shí)； –性能優(yōu)越的各種智能控制算法具備了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。 –系統(tǒng)不再局限于一個(gè)被控電機(jī)和一個(gè)調(diào)節(jié)器，隨著被控對(duì)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(yùn)行。 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)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(jī)/網(wǎng)絡(luò) –運(yùn)動(dòng)控制器 –伺服驅(qū)動(dòng)器 –其他，如基本I/O、傳感器、總線接口、通信接口等 1）PC機(jī)/網(wǎng)絡(luò) PC機(jī)（或網(wǎng)絡(luò)）作為上位機(jī)，其主要功能是依據(jù)生產(chǎn)機(jī)械加工要求給出加工軌跡指令。運(yùn)動(dòng)控制器則接收來自PC機(jī)的指令，完成具體功能。如將上位機(jī)來的指令轉(zhuǎn)化為伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，完成多軸復(fù)合控制任務(wù)時(shí)，要完成多輸入多輸出，以及各軸之間的協(xié)調(diào)控制。 2）運(yùn)動(dòng)控制器 運(yùn)動(dòng)控制器是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。開放式運(yùn)動(dòng)控制器大多采用高速信號(hào)處理器DSP作為CPU，使其具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯處理能力。它是上位機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的橋梁。 3）伺服驅(qū)動(dòng)器 伺服驅(qū)動(dòng)器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)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(jī)來分，可分為： –永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它的優(yōu)點(diǎn)是控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，具有高功率密度。缺點(diǎn)是有整流器，不適用于高速、大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合，經(jīng)常需要維護(hù)，已逐漸被交流伺服所替代。 –永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)體積小，重量輕，輸出轉(zhuǎn)矩大，功率密度高，無需維護(hù)。缺點(diǎn)是伺服電機(jī)與控制裝置一一對(duì)應(yīng)。目前很多控制裝置在軟件中都附加了自動(dòng)尋找磁極位置的功能，弱磁相對(duì)困難。 –異步伺服電機(jī)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是能高速運(yùn)行，大轉(zhuǎn)矩輸出，高速時(shí)較容易實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，耐環(huán)境能力強(qiáng)，堅(jiān)固耐用。缺點(diǎn)是控制較復(fù)雜，效率比永磁伺服電機(jī)低，參數(shù)變化可引起磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)，影響性能。 二、運(yùn)動(dòng)控制器 運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)開放性、互換性、可移植性以及可擴(kuò)展性是開放式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容。 1、結(jié)構(gòu)形式 –根據(jù)控制對(duì)象，分為步進(jìn)電機(jī)型、DC直流伺服型和交流伺服型。目前研究的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)控制器 基于PC的運(yùn)動(dòng)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(hào)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(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，以及誤差補(bǔ)償?shù)乳]環(huán)控制功能。大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程陣列（FPGA）具有超強(qiáng)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(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)，通過ISA或PCI與PC機(jī)相連。 ·基于以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制器 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在國(guó)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(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制成為可能，便于實(shí)現(xiàn)集中的分布式控制，便于將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)集成至車間、廠級(jí)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(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)，如高速、高精伺服實(shí)現(xiàn)，多軸伺服參數(shù)自調(diào)整絕對(duì)同步的實(shí)現(xiàn)。需要解決包括變傳輸周期、網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、同步等關(guān)鍵技術(shù)。 2、運(yùn)動(dòng)控制器的功能 ·運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃功能。能接收上位機(jī)來的指令，通過運(yùn)算形成實(shí)際運(yùn)動(dòng)的位置、速度跟蹤，加速度跟蹤以及限制的方法以優(yōu)化動(dòng)態(tài)過程； ·軟件上配備有完善的伺服控制功能； ·完善的運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)功能； ·電子齒輪輸入、輸出功能和方便與機(jī)床和機(jī)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(jī)床或其他設(shè)備之間的控制及測(cè)試數(shù)據(jù)交換； ·伺服控制策略。智能控制、參數(shù)辨識(shí)以實(shí)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(tái)研發(fā) ·平臺(tái)的特點(diǎn) –伺服與主軸硬件一體化設(shè)計(jì) –控制方案：DC有刷電機(jī)、DC無刷電機(jī)、AC無刷電機(jī)（PMSM）、AC感應(yīng)電機(jī) –通信通道：RS232/RS485、CAN、并行I/O –柔性結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制和力矩控制 ·基于平臺(tái)的大容量高速主軸伺服控制開發(fā) –針對(duì)中大容量高速主軸解決制動(dòng)能量吸收及實(shí)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(shí)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(diǎn)，以能量平衡為出發(fā)點(diǎn)，即用多少取多少，減少存儲(chǔ)，以此為基礎(chǔ)把逆變器電機(jī)部分（VSIM）看作直流電源即整流器（VSM）的負(fù)載，設(shè)計(jì)控制規(guī)律，使電網(wǎng)輸入功率 跟隨負(fù)載功率 變化，達(dá)到用需平衡。 1）VSIM輸入功率估計(jì) 由異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，如圖3所示。 根據(jù) Akagi 瞬時(shí)無功功率理論，設(shè)為電機(jī)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(biāo)系下的VSIM模型和定義瞬時(shí)無功功率 可以導(dǎo)出逆變電機(jī)部分的輸入功率的迭代形式 2）變換器損耗估計(jì) 可以依據(jù)功率模塊制造商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。 3）整流部分（VSR）瞬時(shí)功率估計(jì) 在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電網(wǎng)輸入到VSR的瞬時(shí)有功功率采用電壓、電流雙閉環(huán)控制時(shí)，可以表示為 4）基于補(bǔ)償法的一體化控制方案 基于以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了Windows、VxWorks下的驅(qū)動(dòng)支持 –USB接口模塊 作為PCI接口的補(bǔ)充，必要時(shí)可采用雙通訊機(jī)制 –RS422收發(fā)模塊 可滿足遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)邏輯和信息/能量轉(zhuǎn)換 –人機(jī)交互接口模塊 液晶顯示、鍵盤等 ·功能特點(diǎn) –高速實(shí)時(shí)信息接口，能接收多路傳感器信號(hào)，并具有信息融合功能； –實(shí)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡指令。 結(jié)束語(yǔ) 當(dāng)前，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展勢(shì)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(bào)告中難免存在疏漏，歡迎大家批評(píng)指正！