一個多軸運動控制系統(tǒng)由高階的運動控制器(motioncontroller)與低階的伺服驅(qū)動器(servodriver)所組成，運動控制器負責運動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要關(guān)鍵在于降低整體系統(tǒng)運動控制的路徑誤差；伺服驅(qū)動器負責伺服電機的位置控制，主要關(guān)鍵在于降低伺服軸的追隨誤差。圖1所示是一個多軸運動控制系統(tǒng)的簡化控制方塊圖，在一般的情況下各軸之間的動態(tài)響應特性會有相當大的差異，在高速輪廓控制時(contouringcontrol)會造成顯著的誤差，因此必須設計一個運動控制器以整體考慮的觀點來解決這個問題。
圖1多軸運動控制系統(tǒng)簡化控制方塊圖
傳統(tǒng)的運動控制器體系結(jié)構(gòu)存在很多缺陷，如體積過大、結(jié)構(gòu)封閉、不支持網(wǎng)絡通信等，從而導致控制器之間相互孤立，系統(tǒng)升級過程中大量資源浪費。ISP在線可編程技術(shù)、Internet技術(shù)以及嵌入式實時操作系統(tǒng)等信息技術(shù)的發(fā)展，使模塊化、網(wǎng)絡化、嵌入式、可重構(gòu)的開放式智能運動控制器成為當前運動控制領域的一個重要發(fā)展方向，Siemens公司HorstKohlbert的預言“嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場設備，以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現(xiàn)實”。德國JetterAG、英國的Trio、以色列的ELMO等公司的嵌入式智能運動控制器，宣布了“網(wǎng)絡就是控制器”時代的到來。網(wǎng)絡伺服的特點是：
類似Internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡的層次結(jié)構(gòu)；
對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中只需表達一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復使用，網(wǎng)絡扮演真正服務器的作用；
可連接到Internet，實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；
以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設備的現(xiàn)場總線。
圖2嵌入式運動控制器體系結(jié)構(gòu)
嵌入式運動控制器體系結(jié)構(gòu)
以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎的工廠自動化(FactoryAutomation簡稱FA)工程技術(shù)在最近10年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標準的串行通信接口(如RS-232C、RS485、RS-422等)和現(xiàn)場總線接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯(lián)能力。圖2給出了嵌入式運動控制器的體系結(jié)構(gòu)，在運動控制器中，最關(guān)鍵的部分是控制信號生成模塊，而這個部分是需要經(jīng)常改進和升級的，采用硬件可重構(gòu)技術(shù)，把需要升級的模塊從系統(tǒng)中分離出來然后對它進行在線重構(gòu)，即可完成升級操作。在基于PC機和運動控制器的體系結(jié)構(gòu)中，通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信，解決了網(wǎng)絡通信問題。
圖1中可以看出將運動控制器劃分為網(wǎng)絡通信模塊和運動控制模塊兩個主要部分。其中，網(wǎng)絡通信模塊直接與Internet連接，并按照預先確定的通信協(xié)議從控制臺那里取得控制命令，然后將命令交給運動控制模塊。運動控制模塊則直接和電動機驅(qū)動器相連，它在對命令進行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應的電動機控制信號傳送給電動機。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會返回給網(wǎng)絡通信模塊，由它再通過網(wǎng)絡返回給控制臺。
圖3網(wǎng)絡控制分布式伺服系統(tǒng)
網(wǎng)絡化伺服控制的系統(tǒng)集成
隨著網(wǎng)絡通訊技術(shù)的進步，采用實時網(wǎng)絡通訊技術(shù)的伺服系統(tǒng)也隨之發(fā)展。目前已有多種采用不同通訊協(xié)議的分布式運動控制系統(tǒng)，如基于以太網(wǎng)的協(xié)議(EtherNetIP、ProfiNet及EtherCAT)、現(xiàn)場總線標準(ProfiBus、CANopen、Devicenet、InterBus、ControlNet)，又如SERCOS、CC-LINK、Real-TimeEthernet、Real-TimeCANbus及制造商專有機制。
應用高速網(wǎng)絡技術(shù)于圖3所示的分布式伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點，諸如更靈活的系統(tǒng)應用、更佳的系統(tǒng)整合控制效果等等。為實現(xiàn)系統(tǒng)元件之間有效而可靠的通信，位置編碼器也采用總線方式，目前應用還面臨幾個技術(shù)挑戰(zhàn)。電機起動就是其中的一個，它會產(chǎn)生電氣噪聲并且具有相對較大的電流。此外，出于安全性及可靠性考慮，控制運動機制的通信通道必須非?？煽俊Ｅc運動應用相關(guān)的挑戰(zhàn)還涉及線纜布局(可能需要更長的布線)的限制。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性也對信號速率有一定的要求。
基于獨立性數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成
獨立性的數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)就是在運動控制時，脫離計算機或工控機的通訊操作控制，直接把控制程序和要運行的程序下載到運動控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖。
基于獨立性數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成
獨立性的數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)就是在運動控制時，脫離計算機或工控機的通訊操作控制，直接把控制程序和要運行的程序下載到運動控制器本身所帶的FLASHROM里面。有設備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運行，圖4是基于TRIO的網(wǎng)絡伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4基于多軸運動控制器的網(wǎng)絡伺服結(jié)構(gòu)
圖4中上位計算機通過接插支持TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊適配卡(100M)獲得對以太網(wǎng)總線的支持，負責對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視管理。上位計算完成任務規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應用程序開發(fā)，根據(jù)TCPIP協(xié)議通過以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運動控制器。
網(wǎng)絡伺服運動控制系統(tǒng)中，控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令(運動曲線)，通過現(xiàn)場總線下傳給驅(qū)動器，總線節(jié)點解釋指令以后轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，控制交流伺服電機，這樣完成命令所需定位。在一個多軸系統(tǒng)中，一個控制器可以控制多個電機驅(qū)動器。伺服電機是主要的執(zhí)行部件，完成具體動作。圖5中運動控制器可以采用英國TRIO公司的MC206，MC224，Euro205等獨立型的運動控制器，這些控制器采用工業(yè)專用的32bit，120MHz～150MH
z的最新微處理技術(shù)，融合最新的控制理論及其網(wǎng)絡控制技術(shù)，可選用不同的控制器可控制1～24個軸?？梢杂?～±10V的模擬量電壓輸出和編碼器反饋形成全閉環(huán)控制，來控制伺服電機。也可以控制步進電機，變頻器，氣動，液壓伺服，或者是這幾種的任意結(jié)合。TRIO帶有可編程控制的IO，也可根據(jù)設備需要進行擴展(最多512個IO)。
基于觸摸屏“＋”獨立型數(shù)字控制器的開放控制系統(tǒng)
在一些流水線生產(chǎn)設備或批量產(chǎn)品的加工設備上，需要修改某些加工的工藝數(shù)據(jù)或者需要監(jiān)視設備的運行數(shù)據(jù)，例如登場裁切設備，對于裁切的長度就需要歲工藝的不同和產(chǎn)品的不同需要修改，因為觸摸屏操作方便，價格便宜(比工控機便宜的多)，所以采用觸摸屏來修改數(shù)據(jù)或顯示所與需要監(jiān)視的數(shù)據(jù)，如加工速度，產(chǎn)量等。
TRIO、ELMO等獨立型數(shù)字運動控制型的通訊口都具有Modbus、Ethernet協(xié)議，可以直接同各種各樣的觸摸屏進行數(shù)據(jù)交換，如HITECH，Schneider，EasyView等。其控制原理框圖與基于獨立型數(shù)字運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)集成一樣，只是在數(shù)字運動控制的通訊口上接了一個觸摸屏。筆者采用的是泉毅公司的PWS6600系列，其特征是多軸運動控制器通過Modbus或Ethernet與工業(yè)觸摸屏相連，交流伺服驅(qū)動器之間以及交流伺服驅(qū)動器與多軸運動控制器之間通過現(xiàn)場總線相連，交流伺服驅(qū)動器的輸出與交流伺服電機相連。
基于PC機“＋”數(shù)字運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成
有的設備由于所控制的工程和加工的零件負載，前面的兩種系統(tǒng)集成方式都無法滿足設備和加工工藝的要求，需要采用計算機與數(shù)字運動控制器結(jié)合，通過數(shù)組運動控制器的專用控制或者動態(tài)連接庫，利用VB，VC等高級語言進行二次開發(fā)出專用或者通用的控制系統(tǒng)來控制設備的運動過程。
TRIO公司的PCI208產(chǎn)品是一款基于PCI總線的數(shù)字運動控制卡，該控制卡采用工業(yè)專用的32bit浮點50MHz的DSP最新微處理技術(shù)，提高了運算速度和處理能力，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡控制技術(shù)，可以控制2～8個軸，可以控制伺服電機，步進電機，變頻器，氣動液壓伺服缸或者這幾種的任意結(jié)合，另外，還帶有20個輸入點和10個輸出點，也帶2個CAN總線擴展口，可以通過CAN總線擴展IO和16bit的模擬輸入電壓模塊。
運動控制器專用控制語言及編譯系統(tǒng)
運動控制語言是人的控制意圖和控制器交流的主要方式。運動控制語言編寫的程序，必須通過編譯或解釋來使運動控制器執(zhí)行。所以運動控制語言及其編譯器或解釋器直接影響到運動控制器使用的難易，運動控制器功能的強弱，以及運動控制器響應的速度。
高級語言形式的運動控制語言在國內(nèi)還很少有人研究，國外的運動控制語言一般采用高級語言的形式，然后添加適合運動控制的指令進行擴展。本文主要介紹ELMO類VC語言ELMOStudio和TRIO類VB語言trioBASIC。
ELMOStudio和trioBASIC等運動控制語言采用高級語言，指令簡潔易懂易記，編程簡單，具有基本的PLC和運動控制功能。PLC和運動控制功能的實現(xiàn)采用統(tǒng)一的一種編程語言，簡化了程序的編寫。ELMOStudio和trioBASIC等語言由上位機編譯器對源程序進行詞法、語法、語義進行分析，上位機編譯器最終生成中間代碼，然后下載到嵌入式運動控制器(下位機)中由解釋器解釋，下位機解釋器使用一個循環(huán)結(jié)構(gòu)讀取并解釋下載到運動控制器用戶程序區(qū)的運動控制程序，進而實現(xiàn)運動控制和PLC控制。
ELMO類VC語言ELMOStudio和TRIO類VB語言trioBASIC語言是分別基于VC和VB語言的子集，并針對運動控制和PLC邏輯控制擴展了相應控制指令。他們都支持整型、和浮點型及布爾型等多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序整體結(jié)構(gòu)采用函數(shù)組成，由主函數(shù)開始執(zhí)行。程序的控制結(jié)構(gòu)有循環(huán)結(jié)構(gòu)for語句，while語句、選擇分支結(jié)構(gòu)if語句、無條件跳轉(zhuǎn)等語句，程序支持的運算有算術(shù)運算、邏輯運算、關(guān)系運算。
結(jié)語
可編程片上技術(shù)(SOPC)技術(shù)的出現(xiàn)，使得運動控制器做到單個集成電路芯片大小，可以被嵌入到它所控制的電動機控制系統(tǒng)中，從而帶來了模塊化、網(wǎng)絡化、嵌入式、可重構(gòu)的開放式智能運動控制器。同時采用SOPC技術(shù)使運動控制編程更加簡易，簡化了維修和調(diào)試的復雜性，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，可靠。21世紀是一個嶄新的世紀，也定將是各項科學技術(shù)飛速發(fā)展的世紀。相信隨著材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業(yè)的不斷升級和“柔性制造技術(shù)”的快速發(fā)展，必將為“柔性加工和制造技術(shù)”的核心技術(shù)之一的“伺服驅(qū)動技術(shù)”迎來又一大好的發(fā)展時機。