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运动控制器
阅读:1476时间:2017-12-21 09:41:40

  运动控制(MotionControl)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)。

简介

  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。
  按照使用动力源的不同,运动控制主要可分为以电动机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源的热机运动控制等。据资料统计,在所有动力源中,90%以上来自于电动机。电动机在现代化生产和生活中起着十分重要的作用,所以在这几种运动控制中,电气运动控制应用最为广泛。
  电气运动控制是由电机拖动发展而来的,电力拖动或电气传动是以电动机为对象的控制系统的通称。运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、执行机构和传感器反馈检测装置等部分组成。其中的运动控制器是指以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。
  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)。运动控制器是决定自动控制系统性能的主要器件。对于三菱系列,运动CPU就是运动控制器。对于简单的运动控制系统,采用单片机设计的运动控制器即可满足要求,且性价比较高

国内产品

  目前国内的运动控制器生产商提供的产品大致可以分为三类:
  以单片机或微机处理器作为核心
  以单片机或微机处理器作为核心的运动控制器,这类运动控制器速度较慢,精度不高,成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。
  以专用芯片作为核心处理器
  以专用芯片作为核心处理器的运动控制器,这类运动控制器结构比较简单,但这类运动控制器只能输出脉冲信号,工作于开环控制方式。这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的,但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备,这类运动器不能满足要求。由于这类控制器不能提供连续插补功能,也没有前瞻功能,特别是对于大量的小线段连续运动的场合,不能使用这类控制器。另外,由于硬件资源的限制,这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法,这样一来圆弧插补的精度不高。
  基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器
  基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器,这类运动控制器以DSP芯片作为运动控制器的核心处理器,以PC机作为信息处理平台,运动控制器以插卡形式嵌入PC机,即“PC+运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机结合在一起,具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类控制器充分利用了DSP的高速数据处理能力和FPGA的超强逻辑处理能力,便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动控制和复杂的运动轨迹规划、实时地插补运算、误差补偿、伺服滤波算法,能够实现闭环控制。由于采用FPGA技术来进行硬件设计,方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制,形成独特的产品。

主要功能

  运动规划功能
  实际上是形成运动的速度和位置的基准量。合适的基准量不但可以改善轨迹的精度,而且其影响作用还可以降低对转动系统以及机械传递元件的要求。通用运动控制器通常都提供基于对冲击、加速度和速度等这些可影响动态轨迹精度的量值加以限制的运动规划方法,用户可以直接调用相应的函数。
  对于加速度进行限制的运动规划产生梯形速度曲线;对于冲击进行限制的运动规划产生S形速度曲线。一般来说,对于数控机床而言,采用加速度和速度基准量限制的运动规划方法,就已获得一种优良的动态特性。对于高加速度、小行程运动的快速定位系统,其定位时间和超调量都有严格的要求,往往需要高阶导数连续的运动规划方法。
  多轴插补、连续插补功能
  通用运动控制器提供的多轴插补功能在数控机械行业获得广泛的应用。近年来,由于雕刻市场,特别是模具雕刻机市场的快速发展,推动了运动控制器的连续插补功能的发展。在模具雕刻中存在大量的短小线段加工,要求段间加工速度波动尽可能小,速度变化的拐点要平滑过渡,这样要求运动控制器有速度前瞻和连续插补的功能。固高科技公司推出的专门用于小线段加工工艺的连续插补型运动控制器,该控制器在模具雕刻、激光雕刻、平面切割等领域获得了良好的应用。
  电子齿轮与电子凸轮功能
  电子齿轮和电子凸轮可以大大地简化机械设计,而且可以实现许多机械齿轮与凸轮难以实现的功能。电子齿轮可以实现多个运动轴按设定的齿轮比同步运动,这使得运动控制器在定长剪切和无轴转动的套色印刷方面有很好地应用。
  另外,电子齿轮功能还可以实现一个运动轴以设定的齿轮比跟随一个函数,而这个函数由其他的几个运动轴的运动决定;一个轴也可以以设定的比例跟随其他两个轴的合成速度。电子凸轮功能可以通过编程改变凸轮形状,无需修磨机械凸轮,极大简化了加工工艺。这个功能使运动控制器在机械凸轮的淬火加工、异型玻璃切割和全电机驱动弹簧等领域有良好的应用。
  比较输出功能
  指在运动过程中,位置到达设定的坐标点时,运动控制器输出一个或多个开关量,而运动过程不受影响。如在AOI的飞行检测中,运动控制器的比较输出功能使系统运行到设定的位置即启动CCD快速摄像,而运动并不受影响,这极大地提高了效率,改善了图像质量。另外,在激光雕刻应用中,固高科技的通用运动器的这项功能也获得了很好地应用。
  探针信号锁存功能
  可以锁存探针信号产生的时刻,各运动轴的位置,其精度只与硬件电路相关,不受软件和系统运行惯性的影响,在CCM测量行业有良好的应用。另外,越来越多的OEM厂商希望他们自己丰富的行业应用经验集成到运动控制系统中去,针对不同应用场合和控制对象,个性化设计运动控制器的功能。固高科技公司已经开发可通用运动控制器应用开发平台,使通用运动控制器具有真正面向对象的开放式控制结构和系统重构能力,用户可以将自己设计的控制算法加载到运动控制器的内存中,而无需改变控制系统的结构设计就可以重新构造出一个特殊用途的专用运动控制器。

架构组成

  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。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)转换为更高功率的电流或电压信号。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。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。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。
  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。通常,一个运动控制系统的功能包括:速度控制和点位控制(点到点)。有很多方法可以计算出一个运动轨迹,它们通常基于一个运动的速度曲线如三角速度曲线,梯形速度曲线或者S型速度曲线。如电子齿轮(或电子凸轮)。也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。一个简单的例子是,一个系统包含两个转盘,它们按照一个给定的相对角度关系转动。电子凸轮较之电子齿轮更复杂一些,它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。这个曲线可以是非线性的,但必须是一个函数关系。

优点

  运动控制器的优点:
  (1)硬件组成简单,把运动控制器插入PC总线,连接信号线就可组成系统;
  (2)可以使用PC机已经具有的丰富软件进行开发;
  (3)运动控制软件的代码通用性和可移植性较好;
  (4)可以进行开发工作的工程人员较多,不需要太多培训工作,就可以进行开发。

缺点

  运动控制器的缺点:
  (1)采用板卡结构的运动控制器采用金手指连接,单边固定,在多数环境较差的工业现场(振动、粉尘、油污严重),不适宜长期工作。
  (2)PC资源浪费。由于PC的捆绑方式销售,用户实际上仅使用少部分PC资源,未使用的PC资源不但造成闲置和浪费,还带来维护上的麻烦。
  (3)整体可靠性难以保证,由于PC选择可以是工控机,也可以是商用机。系统集成后,可靠性差异很大,并不是由运动控制器能保证的。
  (4)难以突出行业特点。

发展趋势

  由于下游机械设备厂商对运动控制器的强劲需求,中国通用运动控制器(GMC)市场容量预计会在2014年达到10.65亿美金,而CNC运动控制器市场规模将会达到12.39亿美金。
  专家认为:机床,纺织机械,橡塑机械,印刷机械和包装机械行业约占中国运动控制市场销售额的80%以上,现在和将来都会是运动控制器的主要市场。而食品饮料机械,烟草机械,医疗设备和科研设备行业对运动控制器的需求由于和人民生活紧密相关,这些终端消费一直处于稳定增长中,所以这一类机械行业对运动控制器的需求是稳定增长的。
  虽然电子和半导体机械设备行业在2008年底受到了一些冲击,但运动控制器在电子和半导体机械中的应用一直在增长,2009年和2010年由于对电子制造业的庞大资金投入和终端消费的拉动,运动控制器在电子和半导体机械设备中的销售强劲反弹。中国作为全世界最重要的电子制造业基地之一,电子制造,电子组装和半导体设备的需求和产量都稳定增长,这些产业在相当长的时间内都不会大规模转移到其他成本更低的国家,所以今后几年运动控制器在电子和半导体机械设备行业的销售还会保持较快增长。
  随着机械制造OEM厂商对运动控制器产品越来越熟悉,运动控制器一直在拓展它的应用领域和范围,在一些非传统的细分行业取得了突破。虽然这些行业只占了运动控制器市场很小的市场,但这些领域将成为未来的赢利增长点,也为很多中小型的公司提供了市场机会。比如说风力变桨距控制系统,油田抽油机,火焰切割机,硅片切割机,追日系统,弹簧机,植毛机等等。

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