运动控制器在各设备中有着怎样的应用？

传统的数控机床的控制方式主要有继电器控制、单片机控制与PLC控制几类。现阶段数控系统逐渐向开放性的趋势发展，继电器，PLC和单片机的扩展性和可移植性都比较差，不能够满足数控系统的发展要求。近年来，运动控制器得到了广泛的应用，它具有开放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能强、体积小且性价比高等诸多优点，经过发展，运动控制器几乎应用于所有的工业企业中。运动控制器既可以应用于传统机床的数控化改造，也可以应用于新型数控机床的设计，降低成本、节约能源并且提高效率。本文以机械手的控制系统为例，介绍了基于运动控制器的数控系统设计。

1、数控系统总体方案

如图1所示，整个数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分又分为控制系统硬件和电气控制柜。控制系统硬件包括运动控制器、I/O(输入/输出)接口、驱动模块和执行模块，这部分是数控系统硬件的核心部分;电气控制柜由动力电路、控制电路和信号指示电路等组成。由于现有的运动控制器体积较小，集成度较高，也可以直接将其放置于电气控制柜中。数控系统的软件编写与硬件有一定的关系，一般运动控制器和触摸屏等都会提供编程工具与编程语言，用户根据不同需求使用所提供的编程工具与编程语言进行软件设计。

2、机械手工作原理

本文中的机械手指搬运机械手，所要完成的工艺流程一般是将工件从一个指定位置运送到另一个指定位置，机械手工艺流程如图2所示。数控系统在工作之前，机械手位于设定的原点，整个系统有上下左右4个限位开关，分别接入运动控制器中的4个不同输入点。数控系统工作时，机械手由原点向下运动，碰到下限位开关后停止运动，机械手抓取工件，为保证机械手能够可靠的夹紧工件，需使用数控系统延时功能，在夹紧2s后再继续向上运动，其余三方向同理，最后机械手松开工件，放在指定位置。为保证机械手能够可靠的放置工件，使用数控系统延时功能，在松开2s后再继续向上运动，碰到上限位开关后继续向左运动，回到原点后进行下一次抓取与放置。

机械手搬运分为自动和手动两种模式，在自动模式下，无需人为干预，系统全自动运行;在手动模式下，操作者可以根据自己的需求控制机械手的动作。

3、数控系统硬件设计

数控系统硬件主要包括运动控制器、伺服驱动系统、气动夹紧机构、触摸屏以及其他扩展模块和辅助硬件。数控系统硬件设计如图3所示。

(1)数控系统硬件设计。运动控制器选用英国Trio控制器，采用32-bit的120～150MHz的DSP的最新的微处理器技术，融合了最新的控制理论及其网络技术控制。Trio运动控制器提供了丰富的标准接口，例如RS232C、RS485、USB、Ethernet及CAN等，其中RS232C、RS485带有HostLink、Modbus协议，可以和触摸屏直接通讯;Trio运动控制编程语言是一种由Trio自行开发的结构类似于BASIC的语言，其命令就是该运动名称的英文单词。例如：轴就是AXIS，相对移动就是MOVE，绝对运动就是MOVEABS等等。另外，TRIO还提供二次开发使用的ActiveX控件，用户可以根据自身需要利用VB/VC/C++等高级语言进行二次开发。

(2)选用屏通触摸屏，屏通触摸屏采用高彩、高亮度的数字式液晶屏幕，显示效果好、反应快。触摸屏与运动控制器之间通过RS485接口连接，触摸屏可以进行参数的设置与显示。机械手的状态信息通过触摸屏可以直观的显示出来，还可以通过触摸屏上的按钮、数字输入等功能向系统发出指令，对机械手进行控制。

运动控制(Motion Control)通常是指在复杂条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制(GMC)。

1、运动控制系统的组成

1)一个运动控制器用以生成轨迹点(期望输出)和闭合位置的反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。

2)一个驱动器或放大器用来将运动控制器的控制信号(通常是速度或扭矩信号)转换为更高功率的電流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。

3)一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机构或电机用以输出运动。

4)一个反馈传感器如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。

5)众多机械部件用以将执行器的运动形式转换为期望的运动形式，它包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。

2、运动控制器原理

运动控制器执行着四个基本任务：传送位置反馈码;发出定位指令或运动波形;关闭位置回路和补偿稳定度。在这四个任务当中，最基本的是传送电动机位置信号和关闭位置回路。电动机位置的确定来自反馈信号，有时还有增量编码器，以及同指令位置的比较信号。实际位置和指令位置之间的差值就是所谓的位置误差。

控制器的任务是在无振荡载荷的条件下将位置误差减到最小程度。大多数情况下，这个任务可由比例微积块或 PID的控制算法来完成。PID的输出信号通过数字化模拟转换器进入放大器和电动机。PID控制器算法的数学表达式：

其中，比例系数 KP与响应速度有关;KD提供稳定性和阻尼量;积分系数 KI则决定系统的精确度。调节这三个系数能使伺服系统调协到最佳系统响应状态。

运动控制器还有产生波形的功能，它能产生与时间无关的位置函数与所要求的速度波形相对应。运动的基本要求可用总距离、转换速度和加速度来表明。因为电动机的位置总是同指令位置一致，运动波形则控制着运动的路径和速度，除了这些基本的任务以外，一台先进的运动控制器还可以执行高层次的功能，例如主机的处理命令、任务排序、I 处理和误差处理。这些特殊功能使控制器实现安全独立的操作。

运动控制器是移动机器人的控制中枢，主要实现执行机构精确的位置控制、速度控制、力/力矩控制等。运动控制器由硬件及软件两部分组成，常见的运动控制器从硬件结构上主要分为：基于MCU的运动控制器、基于PLC的运动控制器、基于IPC的运动控制器等。此外，导航控制器、网络控制器等新型运动控制器也越来越多地应用在移动机器人上。计算能力、存储能力、接口种类及数量等是衡量运动控制器性能优劣的关键指标。

一、基于MCU的运动控制器

微控制单元(MCU)，又称单片微型计算机或者单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至把LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

基于单片机的控制器把MCU嵌入到控制器中，能够独立运行。而且其带有通用接口方式，方便与其他设备通讯。基于MCU的控制器具有运行性能良好、系统的成本低等优势。

二、基于PLC的运动控制器

PLC(可编程逻辑控制器)是专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

基于PLC的控制器技术成熟、编程方便，在可靠性、扩展性、对环境的适应性方面具有明显优势，并且有体积小、开发周期短、方便安装维护、互换性强等优点。但是，基于PLC的控制器不能进行复杂的数据处理，也不支持复杂算法的部署，不能实现多轴联动等复杂的运动轨迹。

PLC控制器三、基于IPC的运动控制器

工控机(IPC)一般称为工业控制计算机，是专门用于对设备、流程、参数等进行监测与控制的计算机。IPC的基本性能及相容性与商用电脑相差无几，但IPC更注重在不同环境下的稳定性、可靠性。

基于IPC(工控机)的控制器是移动机器人控制系统的应用主流。由于计算机平台的使用，为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了良好的硬件保障。这类控制器的软件开发成本低、系统兼容性好、系统可靠性强、算力优势明显。

工控机四、上位机+下位机的运动控制方式

除了上述单层的控制架构以外，采用上位机+下位机的双层控制架构也比较常见。上位机通常采用工控机，下位机通常采用基于MCU的嵌入式运动控制板卡，上位机和下位机之间可通过串口、USB、UDP/TCP等方式通讯。这种控制架构的工作过程是：(1)上位机给下位机发送控制命令，下位机接收到此命令并控制执行机构完成相应的动作;(2)下位机采集各个传感器的测量数据，然后将其转化为数字信息反馈给上位机用于决策和控制。上位机+下位机的控制方式兼顾了MCU实时性和IPC高算力的优势。