多轴运动控制器
1、运动控制器概述
随着现代控制技术的提高，运动控制器的出现在某种意义上满足了新型数控系统的标准化、开放性的要求，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自动化控制系统的研制和改造提供一个统一的硬件平台。整体而言，运动控制器是一种控制装置，其核心为中央逻辑控制单元,敏感元件一般为传感器，控制对象为电机或动力装置和执行单元。目前，大多数的运动控制器是一种基于PC机或工业PC机的上位控制单元，多用于控制步进电机或伺服电机，在控制过程中，控制器可以完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等）。一般地，控制器都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发，从而构造所需的控制系统。
图1给出典型的PC+运动控制器组成的开放式控制系统的简图：一般地，运动控制器发送运动控制指令到伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机运行，再通过伺服电机上的编码器反馈信号返回至运动控制器，至此，整个运动控制系统实现运动控制器的闭环控制。
图1 典型的Pc+运动控制器组成的开放式控制系统的
2、运动控制器国内外研究现状
在20世纪90年代,国际发达国家就已经相继推出运动控制器产品，包括美国Deltatau公司的PMAC多轴运动控制器，英国TRIO公司的PCI208多轴运动控制器以及德国MOVTEC公司开发的DEC4T运动控制器等。近年来，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的工业领域所接受。目前，由这些发达国家研制的运动控制器已开始在机器人控制、半导体加工、飞行模拟器等新兴行业得到了很大的应用，其在传统的机床控制领域所占的市场份额也在不断的扩大。
我国在运动控制器产品开发方面相对滞后，1999年固高科技有限公司开始开发、生产开放式运动控制器，随后，国内又有其它几家公司进入该领域，但实际上，其大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。深圳固高、深圳摩信是国内较早（20世纪90年代晚期）从事独立开放式运动控制器的厂家，推出了一些通用的运动控制器。如固高的GT系列运动控制器、摩信的MCT8000系列运动控制器；长沙力鼎科技有限公司的MC系列3轴模拟电压控制/编码器反馈型运动控制器，4轴有/无反馈脉冲输出型运动控制器；南京顺康数码科技有限公司的MC6014A使用了带插补功能、可以控制4个电机的DSP运动控制芯片，适用于PC机ISA总线的线路板；成都步进机电有限公司的MPC01和MPC02系列3轴步进或数字式伺服控制运动控制器。
目前，我国作为世界上经济发展最快的国家之一，市场上新设备
的控制需求、传统设备技术升级和换代对运动控制器的市场需求越来越大，在这样的形势下,研制出具有自主知识产权的高水平、高可靠性的开放式运动控制器，突破发达国家对我国的技术壁垒，实现运动控制器的国产化显得尤为重要。
3、运动控制器分类
目前市场上可以看到的运动控制器依据不同的原则有不同的分类。按照运动控制器的核心技术方案，主要有基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程逻辑型、基于数字信号处理（DSP）型等；按照运动控制器的系统结构，可分为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器以及混合型的运动控制器；按照位置控制原理，可以分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案；按照被控量的性质和运动控制方式，可以分为位置控制、速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。
而国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类：
（1）以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。
（2）以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，大多数工作于开环控制方式，基本满足于对单轴的点位控制。但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能够提供连续插补功能，很难满足要求。
（3）基于PC总线的以DSP和FPGA为核心处理器的开放式运动
控制器。近年来，DSP以其功能强、速度快、编程和开发方便等优点，在多轴运动控制技术领域得到了很大的发展。此类控制器即以DSP作为核心处理器，以PC机作为信息处理平台，以插卡形式嵌入PC机，形成“PC+运动控制器”的模式。功能上，通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。
第一类运动控制器由于其性能的限制，主要应用于一些单轴简单运动的场合。第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额，但由于其专用芯片（ASIC）仅能提供运动控制的基本功能，限制了这种运动控制器在复杂条件的使用。第三类运动控制器是目前国内运动控制器产品的主流，应用也从传统的机床数控扩展到了如机器人控制、激光加工、纺织、电子加工等多个领域。本课题的研究内容即为设计出一款适应于工业焊接机械人的第三类运动控制器。
4、运动控制器发展趋势
随着控制技术的快速发展，传统的运动控制技术由于其封闭式结构!控制软件兼容性差等原因，已经不能满足现代工业的发展要求。 目前而言，新型的运动控制器有以下几个主要的发展趋势： 现阶段，新型数控系统标准化、柔性化的要求促使了现代控制系统中开放性体系概念的提出。所谓开放性体系即系统应具备使不同应用程序能很好地运行于不同供应商提供的不同平台之上的能力，不同应用程序之间能够相互操作的能力和一致的用户交互风格。新型运动控制器应该以开放化为目标，能够方便地与机床、机器人等被控设备
联接，硬件上能够实现一到多个坐标轴位置、速度和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制。
其次,新型运动控制器应该在结构上应形成模块化，易于实现数控系统的集成化和标准化，可以通过积木方式进行方便的相互组合，以建立适用于不同场合、不同功能需求控制系统，为各种工业设备、国防设备以及智能医疗装置的自动化控制系统的研制和改造提供一个统一的硬件平台。
最后，新型的运动控制器应该紧跟计算机技术的快速发展。随着现代计算机功能的强大，利用运动控制卡和PC机相结合，或者将PC系统直接嵌入运动控制卡中已经成为一个重要的发展趋势。
