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运动控制吹起整合风
 

【作者: 王明德】2014年07月21日 星期一

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运动控制技术这几年发展迅速,从以单晶片或微处理器作为核心的运动控制器和以专用晶片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器,发展到了基于PC汇流排的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。


图一
图一

基于网路的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器,逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP的计算能力,进行复杂的运动规划、高速即时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算,使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳;充分利用DSP和FPGA技术,使系统的结构更加开放,根据用户的应用要求进行客制化的重组,设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向。


运动控制发展现状


运动控制起源于早期的伺服控制(Servomechanism)。简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行即时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控(CNC)技术、机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器,往往无需另外的处理器和作业系统支援,可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行(Stand-alone)的运动控制器。


这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计,往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能,用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码档,利用RS232或者DNC方式传输到控制器,控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用,控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协定,用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。


市场洞开 运动控制更上层楼


由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987年,美国空军在美国政府资助下发表了着的“NGC(下一代控制器)研究计画”,该计画首先提出了开放体系结构控制器的概念,这个计画的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格(OSACA)”。自1996年开始,美国几个大型科研机构对NGC计画分别发表了相应的研究内容,如在美国海军支持下,美国国际标准研究院提出了“EMC(增强型机床控制器)”;由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了“OMAC(开放式、模组化体系结构控制器)”,其目的是用更开放、更加模组化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。该计画启动后不久便公布了一个名为“OMACAPT”的规范,并促成了一系列相关研究专案的运行。


通用运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支,在20世纪,先进国家如美国进入快速发展阶段,在强劲市场需求的推动下,通用运动控制技术发展迅速,应用广泛。近年来,随着通用运动控制技术的不断进步和完善,通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品,已经被越来越多的产业领域接受,市场规模也越来越大。


通用用动控制三大类


目前,通用运动控制器从结构上主要分为如下三大类:首先是基于电脑标准汇流排的运动控制器,它是把具有开放体系结构,独立于电脑的运动控制器与电脑相结合构成。这种运动控制器大都采用DSP或微机晶片作为CPU,可完成运动规划、高速即时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部I/O之间的标准化通用介面功能,它开放的函数库可供用户根据不同的需求,在DOS或WINDOWS等平台下自行开发应用软体,组成各种控制系统,目前这种运动控制器是市场上的主流产品。


其次是Soft型开放式运动控制器,它提供给用户最大的灵活性,它的运动控制软体全部装在电脑中,而硬体部分仅是电脑与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用介面。就像电脑中可以安装各种品牌的音效卡、CDROM和相应的驱动程式一样。用户可以在WINDOWS平台和其他作业系统的支援下,利用开放的运动控制内核,开发所需的控制功能,构成各种类型的高性能运动控制系统,从而提供给用户更多的选择和灵活性,Soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低,能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。


第三种则是嵌入式结构的运动控制器,这种运动控制器是把电脑嵌入到运动控制器中的一种产品,它能够独立运行。运动控制器与电脑之间的通信依然是靠电脑汇流排,实质上是基于汇流排结构的运动控制器的一种变种。对于标准汇流排的电脑模组,这种产品采用了更加可靠的汇流排连接方式,更加适合工业应用。在使用中,采用如工业乙太网路、RS-485、SERCOS、PROFIBUS等现场网路通信介面联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软碟和硬碟驱动器,甚至可以通过Internet进行远端诊断,但从整体来说这些系统是数控系统,不是独立的开放式运动控制器产品,就全球市场来看,目前中国大陆是世界上经济发展最快的国家,​​市场上新设备的控制需求、传统设备技术升级、换代对运动控制器的市场需求越来越大,另外由于市场日益竞争的压力,系统整合商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。


除了硬体技术外,软体也是运动控制厂商积极投入的部份,运动控制其实是一种整合,一种机械与电机、控制器与驱动程式、机台与软体之间整合,如何让传统PLC的使用者更方便快速的接受新一代控制器的概念,并且降低进入门槛,将会是运动控制厂商必须正视的问题。


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