運(yùn)動(dòng)控制是控制馬達(dá)的一門(mén)技術(shù)和科學(xué)，它可以影響運(yùn)動(dòng)的軌跡。了解運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，可以在決策的過(guò)程中，幫助確定是否需要或者什么時(shí)候需要使用運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)論是移動(dòng)試管，還是切割金屬，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)和監(jiān)視馬達(dá)，定期將狀態(tài)更新提交給更高一級(jí)的控制器。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要使用了兩種控制結(jié)構(gòu)：集中式和分布式。高速、低成本的數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)的引入，為建造分布式控制系統(tǒng)提供了新的選擇。隨著具有更高功率、更緊湊的開(kāi)關(guān)放大器的出現(xiàn)，集中化設(shè)計(jì)使得在同一塊印刷電路板上可以布置的控制器數(shù)量正在逐步增加。

了解這些技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，有助于解釋如何以及在什么時(shí)候，應(yīng)用這兩種不同的控制結(jié)構(gòu)。

運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的類(lèi)型

集中式還是分布式，哪種控制方式更合適：應(yīng)用控制問(wèn)題的特性對(duì)其具有決定性的影響。

在平面運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域，馬達(dá)的控制或多或少的由集中式PC或控制器完成；也有一些分層應(yīng)用領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)軸被分成2、3組或者更多的功能軸；也有一些單機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合，機(jī)床控制器的運(yùn)行在很大程度上沒(méi)有與網(wǎng)絡(luò)連接，不依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視。

平面運(yùn)動(dòng)控制的例子：具有多個(gè)轉(zhuǎn)軸的印刷機(jī)，它的轉(zhuǎn)軸受伺服控制器的控制。在這里，時(shí)間是關(guān)鍵因素。主控制器，通常是PC或者是PLC，必須同步驅(qū)動(dòng)所有的軸。典型的指令為：“移動(dòng)軸#1到位置X，移動(dòng)軸#2到位置Y”等等。

分級(jí)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的例子：半導(dǎo)體晶圓處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個(gè)主機(jī)器人（4軸）、晶圓定位器（3軸）和一個(gè)閥門(mén)控制器（1或2軸）。在這種結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)一般將就地機(jī)器人或者閥門(mén)控制器連接至中心網(wǎng)絡(luò)，但是實(shí)際的運(yùn)動(dòng)控制由就地機(jī)器人、晶圓定位器或者閥門(mén)完成。總的機(jī)器控制器不會(huì)發(fā)出類(lèi)似“將機(jī)器軸#2移動(dòng)到位置12345”的指令，而是給出諸如“伸展機(jī)械臂”的指令，該指令由就地機(jī)器人控制器來(lái)解釋和執(zhí)行。

單機(jī)應(yīng)用的例子：磁帶存檔系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許操作人員走近控制臺(tái)，要求檢索特定的磁帶。這些單機(jī)控制器，能夠執(zhí)行一攬子的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)基于就地人員發(fā)出的指令，如“檢索磁帶#1234”。在該應(yīng)用中，如果連接了網(wǎng)絡(luò)，那只是用其實(shí)現(xiàn)報(bào)告和監(jiān)視功能，并不是用于控制本身。

增加分布式運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

了解哪些實(shí)際設(shè)備可以用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)同樣十分重要。兩個(gè)可用的設(shè)備是：分布式驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器控制卡。盡管這些設(shè)備有很多不同的變體，但是歸納起來(lái)，它們都是上述兩種設(shè)備中的一種。

分布式運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)器，有時(shí)也被稱(chēng)為智能放大器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與中心主機(jī)通訊，提供一套運(yùn)動(dòng)控制功能，比如產(chǎn)生輪廓、回路閉合或者是放大功能。

根據(jù)應(yīng)用的不同，有兩種分布式驅(qū)動(dòng)可供使用。第一種，可稱(chēng)之為緊耦合驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用諸如SERCOS、EtherCAT、或EthernetPOWERLINK等高速、確定性的網(wǎng)絡(luò)。第二種，可稱(chēng)之為松耦合驅(qū)動(dòng)，使用諸如以太網(wǎng)協(xié)議、CAN總線和RS485等低速網(wǎng)絡(luò)。

緊耦合驅(qū)動(dòng)需要使用運(yùn)動(dòng)卡或者通過(guò)PC運(yùn)行專(zhuān)用軟件，來(lái)同步和協(xié)調(diào)各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可接收位置和速度的更新信息，其更新速率可達(dá)每秒鐘數(shù)千次。松耦合驅(qū)動(dòng)也是由主機(jī)控制，但是驅(qū)動(dòng)器承擔(dān)更強(qiáng)大的仿形切削，同時(shí)也具有更大的延遲。將類(lèi)似于“利用點(diǎn)到點(diǎn)S型曲線，將軸移動(dòng)到位置X”的指令，發(fā)送給每個(gè)驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的交互傾向于自動(dòng)化，利用就地傳感器的輸入來(lái)啟動(dòng)或停止運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的選擇

能夠連接到這些設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)，可以是運(yùn)動(dòng)專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)，比如SERCOS，也可以是運(yùn)動(dòng)與其它功能均可使用的網(wǎng)絡(luò)。這些通用網(wǎng)絡(luò)包括RS-485、CAN總線、EtherCAT、EthernetPOWERLINK、Profibus、Interbus-S和以太網(wǎng)。

這些網(wǎng)絡(luò)使用何種通訊協(xié)議？最常用的是CANopen（CAN總線和EtherCAT總線上的主機(jī)）協(xié)議。使用該協(xié)議，可以直接從市面上購(gòu)買(mǎi)能與CANopen連接的傳感器和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

完全的即插即用標(biāo)準(zhǔn)，在目前階段并不現(xiàn)實(shí)。因?yàn)楹芏喙?yīng)商在產(chǎn)品中加入了CANopen運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展部件，使這些產(chǎn)品與其它供應(yīng)商的產(chǎn)品并不兼容。

盡管選擇可能有點(diǎn)模糊，但是對(duì)于大多數(shù)做機(jī)器設(shè)計(jì)的用戶(hù)來(lái)講，其實(shí)就是三個(gè)選擇：RS-485(有點(diǎn)老，但值得信賴(lài)),CAN總線/CANopen和以太網(wǎng)或任何一種確定性以太網(wǎng)（EtherCAT或EthernetPOWERLINK等）。

機(jī)器控制卡

機(jī)器控制卡，就是所謂的運(yùn)動(dòng)控制卡，是分布式驅(qū)動(dòng)最主要的替代品。主要區(qū)別是：運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)背板總線與分散的主板或處理器卡連接起來(lái)。但是在這里，我們將單機(jī)單卡控制器和背板運(yùn)動(dòng)控制卡稱(chēng)為機(jī)器控制器卡。

在運(yùn)動(dòng)控制器方案中，微處理器中有應(yīng)用代碼，運(yùn)動(dòng)控制器IC（運(yùn)動(dòng)處理器）用于產(chǎn)生輪廓、伺服回路閉合以及管理軸控制中的對(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格的元素。機(jī)器應(yīng)用的微處理器和運(yùn)動(dòng)處理器可以為同一個(gè)，尤其是對(duì)那些簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用而言。機(jī)器控制器卡的優(yōu)勢(shì)之一是可維護(hù)性更好，這是因?yàn)榫S修整個(gè)控制器卡，就是更換卡件。由于放大器布置在卡件上，接線也減少了。還可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)卡件的實(shí)體尺寸以及接頭進(jìn)行裁剪。

機(jī)器控制卡有兩種不同的類(lèi)型：成品的和客戶(hù)定制的。成品卡，尤其是總線連接的運(yùn)動(dòng)卡，存在已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，有很多供應(yīng)商可供選擇?？蛻?hù)定制卡，盡管需要更多的設(shè)計(jì)工作，也是一種很好的選擇。有個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)就是將放大器（IC或者基于模塊的）集成到卡件上。另外一個(gè)趨勢(shì)是利用基于IC的成品運(yùn)動(dòng)控制器，提供輪廓產(chǎn)生、伺服回路閉合、通訊以及時(shí)間關(guān)鍵功能，比如自動(dòng)安全響應(yīng)、程控中斷以及其它類(lèi)型的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸管理。

如何選擇網(wǎng)絡(luò)

那么在選擇運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)該考慮哪些因素呢？當(dāng)考慮分布式運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要先考慮在應(yīng)用中需要哪種類(lèi)型的信號(hào)。運(yùn)動(dòng)特性是否依賴(lài)于布置在該機(jī)器上其它部分的信號(hào)？傳感器以及其它非運(yùn)動(dòng)控制的執(zhí)行器，比如繼電器，是否也在網(wǎng)絡(luò)總線上？如果錯(cuò)誤出現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)需要以多快的速度停止？

在考慮基于網(wǎng)絡(luò)的方案，是如何以及在多大程度上影響互聯(lián)機(jī)器的機(jī)械組織的時(shí)候，必須考慮的另外一個(gè)重要因素是：“如果電子部件分布在整個(gè)機(jī)器上，那如何對(duì)機(jī)器進(jìn)行維護(hù)？”盡管由技術(shù)人員提供維護(hù)的傳統(tǒng)機(jī)架式卡件，可能到處都是亂糟糟的線，但是必須要說(shuō)明的是，它們還是處于同一“屋檐”下的。易維護(hù)性以及在整個(gè)生命周期內(nèi)的成本，會(huì)極大的影響控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇。

由于重量、受熱或者其它環(huán)境方面因素的影響，通過(guò)將放大器布置在馬達(dá)邊上來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式控制，有時(shí)候并不可行。傳統(tǒng)的控制機(jī)架機(jī)柜可以通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)以及隔熱與機(jī)器的運(yùn)行環(huán)境隔離。而這對(duì)于分布式控制經(jīng)常是不可行的。

那什么時(shí)候選擇一個(gè)控制方案而不是另外一個(gè)呢？沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的答案。對(duì)于給定的應(yīng)用。有時(shí)候兩種結(jié)構(gòu)都能很好的工作。

工程應(yīng)用對(duì)費(fèi)用越敏感，設(shè)計(jì)人員就越有可能去自己設(shè)計(jì)卡件和集成板載放大器，當(dāng)然這取決于功耗水平。設(shè)計(jì)卡件時(shí)，可以選擇需要的接頭并根據(jù)特定的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用來(lái)確定卡件的形狀要素。

機(jī)床等需要高度同步的應(yīng)用，會(huì)自然的傾向于多軸運(yùn)動(dòng)卡或緊耦合分布式驅(qū)動(dòng)方案。這些驅(qū)動(dòng)在馬達(dá)類(lèi)型和功耗范圍方面具有更大的靈活性。不要忘記，需要運(yùn)動(dòng)控制卡或者需要帶有專(zhuān)用G代碼軟件的PC來(lái)完成整體路徑的生成。

對(duì)一些大、中型的應(yīng)用，比如醫(yī)藥自動(dòng)化、半導(dǎo)體自動(dòng)化、科學(xué)儀表和低功耗通用自動(dòng)化，可以通過(guò)幾種不同的方案實(shí)現(xiàn)，包括：成品機(jī)器控制卡，客戶(hù)定制機(jī)器控制卡，或松耦合分布式驅(qū)動(dòng)等。

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