運(yùn)動(dòng)控制器在各設(shè)備中有著怎樣的應(yīng)用？

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床的控制方式主要有繼電器控制、單片機(jī)控制與PLC控制幾類?，F(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)逐漸向開放性的趨勢(shì)發(fā)展，繼電器，PLC和單片機(jī)的擴(kuò)展性和可移植性都比較差，不能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展要求。近年來，運(yùn)動(dòng)控制器得到了廣泛的應(yīng)用，它具有開放性好、可移植性好、可靠性高、控制功能強(qiáng)、體積小且性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器幾乎應(yīng)用于所有的工業(yè)企業(yè)中。運(yùn)動(dòng)控制器既可以應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造，也可以應(yīng)用于新型數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)，降低成本、節(jié)約能源并且提高效率。本文以機(jī)械手的控制系統(tǒng)為例，介紹了基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1、數(shù)控系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分又分為控制系統(tǒng)硬件和電氣控制柜。控制系統(tǒng)硬件包括運(yùn)動(dòng)控制器、I/O(輸入/輸出)接口、驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行模塊，這部分是數(shù)控系統(tǒng)硬件的核心部分;電氣控制柜由動(dòng)力電路、控制電路和信號(hào)指示電路等組成。由于現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制器體積較小，集成度較高，也可以直接將其放置于電氣控制柜中。數(shù)控系統(tǒng)的軟件編寫與硬件有一定的關(guān)系，一般運(yùn)動(dòng)控制器和觸摸屏等都會(huì)提供編程工具與編程語言，用戶根據(jù)不同需求使用所提供的編程工具與編程語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

2、機(jī)械手工作原理

本文中的機(jī)械手指搬運(yùn)機(jī)械手，所要完成的工藝流程一般是將工件從一個(gè)指定位置運(yùn)送到另一個(gè)指定位置，機(jī)械手工藝流程如圖2所示。數(shù)控系統(tǒng)在工作之前，機(jī)械手位于設(shè)定的原點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)有上下左右4個(gè)限位開關(guān)，分別接入運(yùn)動(dòng)控制器中的4個(gè)不同輸入點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)械手由原點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，碰到下限位開關(guān)后停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手抓取工件，為保證機(jī)械手能夠可靠的夾緊工件，需使用數(shù)控系統(tǒng)延時(shí)功能，在夾緊2s后再繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，其余三方向同理，最后機(jī)械手松開工件，放在指定位置。為保證機(jī)械手能夠可靠的放置工件，使用數(shù)控系統(tǒng)延時(shí)功能，在松開2s后再繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，碰到上限位開關(guān)后繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，回到原點(diǎn)后進(jìn)行下一次抓取與放置。

機(jī)械手搬運(yùn)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在自動(dòng)模式下，無需人為干預(yù)，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行;在手動(dòng)模式下，操作者可以根據(jù)自己的需求控制機(jī)械手的動(dòng)作。

3、數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、觸摸屏以及其他擴(kuò)展模塊和輔助硬件。數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

(1)數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制器選用英國Trio控制器，采用32-bit的120～150MHz的DSP的最新的微處理器技術(shù)，融合了最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制。Trio運(yùn)動(dòng)控制器提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)接口，例如RS232C、RS485、USB、Ethernet及CAN等，其中RS232C、RS485帶有HostLink、Modbus協(xié)議，可以和觸摸屏直接通訊;Trio運(yùn)動(dòng)控制編程語言是一種由Trio自行開發(fā)的結(jié)構(gòu)類似于BASIC的語言，其命令就是該運(yùn)動(dòng)名稱的英文單詞。例如：軸就是AXIS，相對(duì)移動(dòng)就是MOVE，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)就是MOVEABS等等。另外，TRIO還提供二次開發(fā)使用的ActiveX控件，用戶可以根據(jù)自身需要利用VB/VC/C++等高級(jí)語言進(jìn)行二次開發(fā)。

(2)選用屏通觸摸屏，屏通觸摸屏采用高彩、高亮度的數(shù)字式液晶屏幕，顯示效果好、反應(yīng)快。觸摸屏與運(yùn)動(dòng)控制器之間通過RS485接口連接，觸摸屏可以進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與顯示。機(jī)械手的狀態(tài)信息通過觸摸屏可以直觀的顯示出來，還可以通過觸摸屏上的按鈕、數(shù)字輸入等功能向系統(tǒng)發(fā)出指令，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。

運(yùn)動(dòng)控制(Motion Control)通常是指在復(fù)雜條件下將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制。

運(yùn)動(dòng)控制器就是控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式的專用控制器：比如電動(dòng)機(jī)在由行程開關(guān)控制交流接觸器而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)物體向上運(yùn)行達(dá)到指定位置后又向下運(yùn)行，或者用時(shí)間繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)一會(huì)停一會(huì)再轉(zhuǎn)一會(huì)再停。運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用要比在專用機(jī)器中的應(yīng)用更復(fù)雜，因?yàn)楹笳哌\(yùn)動(dòng)形式更簡(jiǎn)單，通常被稱為通用運(yùn)動(dòng)控制(GMC)。

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

1)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器用以生成軌跡點(diǎn)(期望輸出)和閉合位置的反饋環(huán)。許多控制器也可以在內(nèi)部閉合一個(gè)速度環(huán)。

2)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器或放大器用來將運(yùn)動(dòng)控制器的控制信號(hào)(通常是速度或扭矩信號(hào))轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號(hào)。更為先進(jìn)的智能化驅(qū)動(dòng)可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。

3)一個(gè)執(zhí)行器如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電機(jī)用以輸出運(yùn)動(dòng)。

4)一個(gè)反饋傳感器如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。

5)眾多機(jī)械部件用以將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為期望的運(yùn)動(dòng)形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。

2、運(yùn)動(dòng)控制器原理

運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行著四個(gè)基本任務(wù)：傳送位置反饋碼;發(fā)出定位指令或運(yùn)動(dòng)波形;關(guān)閉位置回路和補(bǔ)償穩(wěn)定度。在這四個(gè)任務(wù)當(dāng)中，最基本的是傳送電動(dòng)機(jī)位置信號(hào)和關(guān)閉位置回路。電動(dòng)機(jī)位置的確定來自反饋信號(hào)，有時(shí)還有增量編碼器，以及同指令位置的比較信號(hào)。實(shí)際位置和指令位置之間的差值就是所謂的位置誤差。

控制器的任務(wù)是在無振蕩載荷的條件下將位置誤差減到最小程度。大多數(shù)情況下，這個(gè)任務(wù)可由比例微積塊或 PID的控制算法來完成。PID的輸出信號(hào)通過數(shù)字化模擬轉(zhuǎn)換器進(jìn)入放大器和電動(dòng)機(jī)。PID控制器算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中，比例系數(shù) KP與響應(yīng)速度有關(guān);KD提供穩(wěn)定性和阻尼量;積分系數(shù) KI則決定系統(tǒng)的精確度。調(diào)節(jié)這三個(gè)系數(shù)能使伺服系統(tǒng)調(diào)協(xié)到最佳系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)控制器還有產(chǎn)生波形的功能，它能產(chǎn)生與時(shí)間無關(guān)的位置函數(shù)與所要求的速度波形相對(duì)應(yīng)。運(yùn)動(dòng)的基本要求可用總距離、轉(zhuǎn)換速度和加速度來表明。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的位置總是同指令位置一致，運(yùn)動(dòng)波形則控制著運(yùn)動(dòng)的路徑和速度，除了這些基本的任務(wù)以外，一臺(tái)先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器還可以執(zhí)行高層次的功能，例如主機(jī)的處理命令、任務(wù)排序、I 處理和誤差處理。這些特殊功能使控制器實(shí)現(xiàn)安全獨(dú)立的操作。

運(yùn)動(dòng)控制器是移動(dòng)機(jī)器人的控制中樞，主要實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確的位置控制、速度控制、力/力矩控制等。運(yùn)動(dòng)控制器由硬件及軟件兩部分組成，常見的運(yùn)動(dòng)控制器從硬件結(jié)構(gòu)上主要分為：基于MCU的運(yùn)動(dòng)控制器、基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制器、基于IPC的運(yùn)動(dòng)控制器等。此外，導(dǎo)航控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器等新型運(yùn)動(dòng)控制器也越來越多地應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人上。計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、接口種類及數(shù)量等是衡量運(yùn)動(dòng)控制器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。

一、基于MCU的運(yùn)動(dòng)控制器

微控制單元(MCU)，又稱單片微型計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)，是把CPU的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至把LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。

基于單片機(jī)的控制器把MCU嵌入到控制器中，能夠獨(dú)立運(yùn)行。而且其帶有通用接口方式，方便與其他設(shè)備通訊。基于MCU的控制器具有運(yùn)行性能良好、系統(tǒng)的成本低等優(yōu)勢(shì)。

二、基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制器

PLC(可編程邏輯控制器)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。

基于PLC的控制器技術(shù)成熟、編程方便，在可靠性、擴(kuò)展性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且有體積小、開發(fā)周期短、方便安裝維護(hù)、互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，基于PLC的控制器不能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，也不支持復(fù)雜算法的部署，不能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。

PLC控制器三、基于IPC的運(yùn)動(dòng)控制器

工控機(jī)(IPC)一般稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是專門用于對(duì)設(shè)備、流程、參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制的計(jì)算機(jī)。IPC的基本性能及相容性與商用電腦相差無幾，但I(xiàn)PC更注重在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性、可靠性。

基于IPC(工控機(jī))的控制器是移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用主流。由于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的使用，為動(dòng)態(tài)控制算法和復(fù)雜軌跡規(guī)劃提供了良好的硬件保障。這類控制器的軟件開發(fā)成本低、系統(tǒng)兼容性好、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、算力優(yōu)勢(shì)明顯。

工控機(jī)四、上位機(jī)+下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方式

除了上述單層的控制架構(gòu)以外，采用上位機(jī)+下位機(jī)的雙層控制架構(gòu)也比較常見。上位機(jī)通常采用工控機(jī)，下位機(jī)通常采用基于MCU的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制板卡，上位機(jī)和下位機(jī)之間可通過串口、USB、UDP/TCP等方式通訊。這種控制架構(gòu)的工作過程是：(1)上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送控制命令，下位機(jī)接收到此命令并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作;(2)下位機(jī)采集各個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息反饋給上位機(jī)用于決策和控制。上位機(jī)+下位機(jī)的控制方式兼顧了MCU實(shí)時(shí)性和IPC高算力的優(yōu)勢(shì)。