运动控制器知识

运动控制是指对机械运动部件的位置、速度、方向等进行实时控制管理，使其按照预

期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。运动控制行业是工业自动化行业的一个分支，其产品主要是解决自动化装置精确位置控制和严格的速度同步问题。

运动控制系统是通过对电机电压、电流、频率等输入变量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使工作机械按照人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。典型的运动控制系统如下图所示：

控制器接收操作员发出的指令后，向驱动器发送控制信号，驱动器接收后，转变为电流和电压信号，通过该信号驱动电机，电机开始按所设定的力矩、速度、位置等指令信号完成相应的运动、测量反馈装置将检测到的移动部件和实际位移量进行位置反馈，以纠正电机执行动作的偏差。其中，控制器相当于运动控制系统的“大脑”，驱动器和电机构成的伺服系统则负责具体的执行动作，其中，驱动器相当于“心脏”，电机则充当了“手脚”的角色。

（2）控制器的基本概况

①控制器的概念

控制器起连接操作人员与伺服系统的作用，其主要任务是通过计算每个预定运动的轨迹，形成控制参数，向伺服系统发出运动指令，同时监测传感器传输的反馈信号并及时调整，保证运动控制系统能够正确运行。

②控制器的发展历程

最初的控制器是独立运行的专用控制器，无需处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、人机交互功能和工艺技术要求的其他功能，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，不能离开特定的工艺要求二跨行业应用，用户不能根据应用需求而重组自己的运动控制系统，所以通用运动控制器的发展成为市场必然需求。

通用运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，1990年开始在发达国家进入快速发展的阶段，由于有强劲的市场需求的推动，通用运动控制技术发展迅速并得到广泛应用。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运动控制类产品，已经被越来越多的行业领域所接受。

运动控制器也从以单片机、微处理器或专用芯片作为核心处理器，发展到了基于PC总线、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的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现金运动控制技术。

（3）伺服系统的基本概况

①伺服系统的概念

伺服系统指以物体的位置、方位、状态等控制量组成的，能够跟随任意变化是输入目标或给定量的自动控制系统，主要包括驱动器和电机两部分。伺服系统可按照控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，通过驱动装置对电机输出力矩、速度和位置的控制量，最终形成的机械位移能准确地执行输入指令要求。典型的伺服系统如下图所示：

②伺服系统的分类及特性

伺服系统按照所使用电机类型可以分为：由步进电机构成的开环伺服系统，由直流伺服电机构成的直流伺服系统，由交流伺服电机构成的交流伺服系统。

A、开环伺服系统

开环伺服系统又称为开环步进系统，不设置位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，驱动电机为步进电机，步进电机按照驱动器发出的指令脉冲工作，按照设定的方向转动固定的角度；通过控制脉冲个数可以控制角度位移量，达到准确定位；通过控制脉冲频率可以控制电机的转速和加速度，达到准确调速。开环步进系统以其经济和实用性，广泛应用于对精度和速度要求不高的自动化设备。

B、直流伺服系统

由于直流伺服电机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流伺服电机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。与开环伺服系统相比，闭环伺服系统对机械运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，可以采用直接安装在工作台的传感器（如光栅尺）作为位置检测器件，以构成高精度的闭环位置控制系统。

C、交流伺服系统

随着伺服电机结构、材料、控制技术的发展，出现了交流伺服电机。微电子技术的快速发展使的交流伺服系统的控制方式向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服或智能化的软件伺服。交流伺服系统也为闭环系统，内部构成位置环、速度环和电流环，控制性能优良。