運動控制器

運動控制（Motion Control）通常是指在複雜條件下，將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動，實現機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制。

按照使用動力源的不同，運動控制主要可分為以電動機作為動力源的電氣運動控制、以氣體和流體作為動力源的氣液控制和以燃料（煤、油等）作為動力源的熱機運動控制等。據資料統計，在所有動力源中，90%以上來自於電動機。電動機在現代化生產和生活中起著十分重要的作用，所以在這幾種運動控制中，電氣運動控制應用最為廣泛。

電氣運動控制是由電機拖動發展而來的，電力拖動或電氣傳動是以電動機為對象的控制系統的通稱。運動控制系統多種多樣，但從基本結構上看，一個典型的現代運動控制系統的硬體主要由上位機、運動控制器、功率驅動裝置、電動機、執行機構和感測器反饋檢測裝置等部分組成。其中的運動控制器是指以中央邏輯控制單元為核心、以感測器為信號敏感元件、以電機或動力裝置和執行單元為控制對象的一種控制裝置。

運動控制器就是控制電動機的運行方式的專用控制器：比如電動機在由行程開關控制交流接觸器而實現電動機拖動物體向上運行達到指定位置后又向下運行，或者用時間繼電器控制電動機正反轉或轉一會停一會再轉一會再停。運動控制在機器人和數控機床的領域內的應用要比在專用機器中的應用更複雜，因為後者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制（GMC）。運動控制器是決定自動控制系統性能的主要器件。對於三菱系列，運動CPU就是運動控制器。對於簡單的運動控制系統，採用單片機設計的運動控制器即可滿足要求，且性價比較高。

目前國內的運動控制器生產商提供的產品大致可以分為三類：

以單片機或微機處理器作為核心

以單片機或微機處理器作為核心的運動控制器，這類運動控制器速度較慢，精度不高，成本相對較低。在一些只需要低速點位運動控制和軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應用。

以專用晶元作為核心處理器

以專用晶元作為核心處理器的運動控制器，這類運動控制器結構比較簡單，但這類運動控制器只能輸出脈衝信號，工作於開環控制方式。這類控制器對單軸的點位控制場合是基本滿足要求的，但對於要求多軸協調運動和高速軌跡插補控制的設備，這類運動器不能滿足要求。由於這類控制器不能提供連續插補功能，也沒有前瞻功能，特別是對於大量的小線段連續運動的場合，不能使用這類控制器。另外，由於硬體資源的限制，這類控制器的圓弧插補演演算法通常都採用逐點比較法，這樣一來圓弧插補的精度不高。

基於PC匯流排的以DSP和FPGA作為核心處理器

基於PC匯流排的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器，這類運動控制器以DSP晶元作為運動控制器的核心處理器，以PC機作為信息處理平台，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。這樣將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機結合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。這類控制器充分利用了DSP的高速數據處理能力和FPGA的超強邏輯處理能力，便於設計出功能完善、性能優越的運動控制器。這類運動控制器通常都能提供板上的多軸協調運動控制和複雜的運動軌跡規劃、實時地插補運算、誤差補償、伺服濾波演演算法，能夠實現閉環控制。由於採用FPGA技術來進行硬體設計，方便運動控制器供應商根據客戶的特殊工藝要求和技術要求進行個性化的定製，形成獨特的產品。

運動規劃功能

實際上是形成運動的速度和位置的基準量。合適的基準量不但可以改善軌跡的精度，而且其影響作用還可以降低對轉動系統以及機械傳遞元件的要求。通用運動控制器通常都提供基於對衝擊、加速度和速度等這些可影響動態軌跡精度的量值加以限制的運動規劃方法，用戶可以直接調用相應的函數。

對於加速度進行限制的運動規劃產生梯形速度曲線；對於衝擊進行限制的運動規劃產生S形速度曲線。一般來說，對於數控機床而言，採用加速度和速度基準量限制的運動規劃方法，就已獲得一種優良的動態特性。對於高加速度、小行程運動的快速定位系統，其定位時間和超調量都有嚴格的要求，往往需要高階導數連續的運動規劃方法。

多軸插補、連續插補功能

通用運動控制器提供的多軸插補功能在數控機械行業獲得廣泛的應用。近年來，由於雕刻市場，特別是模具雕刻機市場的快速發展，推動了運動控制器的連續插補功能的發展。在模具雕刻中存在大量的短小線段加工，要求段間加工速度波動儘可能小，速度變化的拐點要平滑過渡，這樣要求運動控制器有速度前瞻和連續插補的功能。固高科技公司推出的專門用於小線段加工工藝的連續插補型運動控制器，該控制器在模具雕刻、激光雕刻、平面切割等領域獲得了良好的應用。

電子齒輪與電子凸輪功能

電子齒輪和電子凸輪可以大大地簡化機械設計，而且可以實現許多機械齒輪與凸輪難以實現的功能。電子齒輪可以實現多個運動軸按設定的齒輪比同步運動，這使得運動控制器在定長剪切和無軸轉動的套色印刷方面有很好地應用。

另外，電子齒輪功能還可以實現一個運動軸以設定的齒輪比跟隨一個函數，而這個函數由其他的幾個運動軸的運動決定；一個軸也可以以設定的比例跟隨其他兩個軸的合成速度。電子凸輪功能可以通過編程改變凸輪形狀，無需修磨機械凸輪，極大簡化了加工工藝。這個功能使運動控制器在機械凸輪的淬火加工、異型玻璃切割和全電機驅動彈簧等領域有良好的應用。

比較輸出功能

指在運動過程中，位置到達設定的坐標點時，運動控制器輸出一個或多個開關量，而運動過程不受影響。如在AOI的飛行檢測中，運動控制器的比較輸出功能使系統運行到設定的位置即啟動CCD快速攝像，而運動並不受影響，這極大地提高了效率，改善了圖像質量。另外，在激光雕刻應用中，固高科技的通用運動器的這項功能也獲得了很好地應用。

探針信號鎖存功能

可以鎖存探針信號產生的時刻，各運動軸的位置，其精度只與硬體電路相關，不受軟體和系統運行慣性的影響，在CCM測量行業有良好的應用。另外，越來越多的OEM廠商希望他們自己豐富的行業應用經驗集成到運動控制系統中去，針對不同應用場合和控制對象，個性化設計運動控制器的功能。固高科技公司已經開發可通用運動控制器應用開發平台，使通用運動控制器具有真正面向對象的開放式控制結構和系統重構能力，用戶可以將自己設計的控制演演算法載入到運動控制器的內存中，而無需改變控制系統的結構設計就可以重新構造出一個特殊用途的專用運動控制器。

一個運動控制器用以生成軌跡點（期望輸出）和閉合位置的反饋環。許多控制器也可以在內部閉合一個速度環。一個驅動器或放大器用來將運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉換為更高功率的電流或電壓信號。更為先進的智能化驅動可以自身閉合位置環和速度環，以獲得更精確的控制。一個執行器如液壓泵、氣缸、線性執行機構或電機用以輸出運動。一個反饋感測器如光電編碼器、旋轉變壓器或霍爾效應設備等用以反饋執行器的位置到位置控制器，以實現和位置控制環的閉合。

眾多機械部件用以將執行器的運動形式轉換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯軸器以及線性和旋轉軸承。通常，一個運動控制系統的功能包括：速度控制和點位控制（點到點）。有很多方法可以計算出一個運動軌跡，它們通常基於一個運動的速度曲線如三角速度曲線，梯形速度曲線或者S型速度曲線。如 電子齒輪（或電子凸輪）。也就是從動軸的位置在機械上跟隨一個主動軸的位置變化。一個簡單的例子是，一個系統包含兩個轉盤，它們按照一個給定的相對角度關係轉動。電子凸輪較之電子齒輪更複雜一些，它使得主動軸和從動軸之間的隨動關係曲線是一個函數。這個曲線可以是非線性的，但必須是一個函數關係。

運動控制器的優點：

（1）硬體組成簡單，把運動控制器插入PC匯流排，連接信號線就可組成系統；

（2）可以使用PC機已經具有的豐富軟體進行開發；

（3）運動控制軟體的代碼通用性和可移植性較好；

（4）可以進行開發工作的工程人員較多，不需要太多培訓工作，就可以進行開發。

運動控制器的缺點：

（1）採用板卡結構的運動控制器採用金手指連接，單邊固定，在多數環境較差的工業現場（振動、粉塵、油污嚴重），不適宜長期工作。

（2）PC資源浪費。由於PC的捆綁方式銷售，用戶實際上僅使用少部分PC資源，未使用的PC資源不但造成閑置和浪費，還帶來維護上的麻煩。

（3）整體可靠性難以保證，由於PC選擇可以是工控機，也可以是商用機。系統集成后，可靠性差異很大，並不是由運動控制器能保證的。

（4）難以突出行業特點。

由於下游機械設備廠商對運動控制器的強勁需求，中國通用運動控制器（GMC）市場容量預計會在2014年達到10.65億美金，而CNC運動控制器市場規模將會達到12.39億美金。

專家認為：機床，紡織機械，橡塑機械，印刷機械和包裝機械行業約佔中國運動控制市場銷售額的80%以上，現在和將來都會是運動控制器的主要市場。而食品飲料機械，煙草機械，醫療設備和科研設備行業對運動控制器的需求由於和人民生活緊密相關，這些終端消費一直處於穩定增長中，所以這一類機械行業對運動控制器的需求是穩定增長的。

雖然電子和半導體機械設備行業在2008年底受到了一些衝擊，但運動控制器在電子和半導體機械中的應用一直在增長，2009年和2010年由於對電子製造業的龐大資金投入和終端消費的拉動，運動控制器在電子和半導體機械設備中的銷售強勁反彈。中國作為全世界最重要的電子製造業基地之一，電子製造，電子組裝和半導體設備的需求和產量都穩定增長，這些產業在相當長的時間內都不會大規模轉移到其他成本更低的國家，所以今後幾年運動控制器在電子和半導體機械設備行業的銷售還會保持較快增長。

隨著機械製造OEM廠商對運動控制器產品越來越熟悉，運動控制器一直在拓展它的應用領域和範圍，在一些非傳統的細分行業取得了突破。雖然這些行業只佔了運動控制器市場很小的市場，但這些領域將成為未來的贏利增長點，也為很多中小型的公司提供了市場機會。比如說風力變槳距控制系統，油田抽油機，火焰切割機，矽片切割機，追日系統，彈簧機，植毛機等等。