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运动控制系统

　　摘要：信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能和机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命……
　　关键词：运动控制系统上位控制单元方案
　　信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能和机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感器技术的发展，各先进国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的功能。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展。
　　在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC运动控制卡，专用控制系统。“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。以下，我们将分述系统中的“大脑”中的各个部分，并详尽地论述“PC运动控制卡”方案。
　　一、用单片机系统来实现运动控制。
　　此系统由单片机芯片、外围扩展芯片以及通过搭建外围电路组成。在“位置控制”方式时，通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方式时，需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太轻易扩充功能、升级、柔性不强等新问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机系统开发经验的用户。
　　二、采用专业运动控制PLC来实现运动控制。
　　目前，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，包括脉冲输出功能，模拟量输出等等。使用这种PLC来做运动控制系统的上位控制时，可以同时利用PLC的I/O口功能，可谓一举两得。PLC通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。还有一点不可忽视，就是它可以和HMI进行通讯，在线修改运动参数，如轴号，速度，位移等。这样整个控制系统中从输入到控制再到显示，非常便利。一方面将界面友好化，另一方面将控制系统的成本从整体上节省了。但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的，这种输出类型的输出口驱动电流不大，一般只有~。在工业生产中，作为PLC驱动的负载来说，很多继电器开关的容量都要比这大，需要添加中间放大电路或转换模块。和此同时，由于PLC的工作方式决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，要受PLC每步扫描时间的限制。而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太轻易实现，虽说有的PLC已经有直线插补、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的，对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动，高速插补等动作，它实现起来仍然较为困难。这种方案主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料设备、自动焊机等。
　　三、采用专用数控系统作为上位控制。
　　专用的数控系统一般都是针对专用设备或专用行业而设计开发生产的，像专用车床数控系统，铣床数控系统，切割机数控系统等等。它集成了计算机的核心部件，输入、输出外围设备以及为专门应用而开发的软件。由于是“专业对口”，人们可以尽情发挥“拿来主义”。不需要进行什么二次开发，对使用者来说只需通过熟悉过程达到能操作的目的就行。在这方面，国外知名品牌的产品在我国制造行业中早已占领了了领地，如西门子，法那克，法格，海宝等等。当然，之所以它们能大规模广泛地被采用和这种专用数控系统，是因为其功能丰富，性能稳定可靠。但为之付出的代价就是高成本。因此，适用于控制要求较高且产品档次较高的数控设备生产厂家和使用者。
　　四、采用PC运动控制卡作为上位控制的方案。
　　随着PC的发展和普及，采用PC运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋向。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口和软件接口。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，适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高，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。
　　从运动控制卡的主控芯片来看，一般有三种形式：单片机，专用运动控制芯片，DSP。
　　以单片机为主控芯片的运动控制卡，成本较低，外围电路较为复杂。由于这种方案仍是采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，一般用这种卡控制步进电机；以专用运动控制芯片为主控芯片的运动控制卡成本较高，但其运动控制功能有硬件电路实现，而且集成度高，所以可靠性、实时性都比较好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。以DSP为主控芯片的运动控制卡利用了DSP对数字信号的高速处理，能够实时完成极其复杂的运动轨迹，常用于像工业机器人等运动复杂的自动化设备中。
　　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，通常使用的是基于ISA总线，PCI总线的。而且由于计算机主板的更新换代，ISA插槽都越来越少了，PCI总线的运动控制卡应该是目前的主流。卡上专用CPU和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
　　：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：Ｃ语言运动库、WindowsDLL动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制新问题。运动控制卡的功能图如下：

　　控制卡接受主CPU的指令，进行运动轨迹规划，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信号的检测等。每块运动控制卡可控制多轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现更多运动轴的控制；每个轴都可以输出脉冲和方向信号，并可输入原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、限位保护等功能。开关信号由控制卡自动检测并作出反应。
　　目前的运动控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等。具体的特征体现在硬件和软件两个方面：在硬件方面采用PC机的ISA总线方式，各种设置采用简单的跳线和拨码开关；接线方式采用D型插头；采用PC机的PCI总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，接线方式采用SISC型插头，可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。
　　控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还提供了一些辅助函数：中断处理、编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。
　　正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。在目前工业生产中，它的应用范围十分广泛，在使用步进电机和数字式伺服电机的PC机运动控制系统中，都可以使用运动控制卡作为核心控制单元，例如：数控机床、加工中心、机器人等；送料装置、云台；X-Y-Z控制台；绘图机、雕刻机、印刷机械；打标机、绕线机；医疗设备；包装机械、纺织机械。
　　从目前工业设备中应用来看，使用专业运动控制卡作为运动控制系统的上位控制越来越普及，附带产生的各种数控系统软件也越来越多。随着像激光雕刻机，三位坐标测量仪等新兴数控设备的兴起，运动控制卡在各个方面都表现出其巨大的开发潜力以及目前都不能猜测到的应用前景，相信随着DSP运动控制卡的不断深入应用，PC运动控制卡的方式将在上位控制单元占据不可替代的地位。
　　结束语：作为运动控制系统的核心部分，上位控制单元的形式决定了整套系统的运动控制功能的强弱。运动控制系统