运动控制范文

运动控制范文第1篇

关键词：运动控制系统上位控制单元方案

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能和机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感器技术的发展，各先进国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的功能。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展。

在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是系统中举足轻重的两个组成部分。“执行机构”部分一般不外乎：步进电机，伺服电机，以及直流电机等。它们作为执行机构，带动刀具或工件动作，我们称之为“四肢”；“上位控制”单元的方案主要有四种：单片机系统，专业运动控制PLC，PC运动控制卡，专用控制系统。“上位控制”是“指挥”执行机构动作的，我们也称之为“大脑”。以下，我们将分述系统中的“大脑”中的各个部分，并详尽地论述“PC运动控制卡”方案。

一、用单片机系统来实现运动控制。

此系统由单片机芯片、扩展芯片以及通过搭建电路组成。在“位置控制”方式时，通过单片机的I/O口发数字脉冲信号来控制执行机构行走；“速度控制”方式时，需加D/A转换模块输出模拟量信号达到控制。此方案优点在于成本较低，但由于一般单片机I/O口产生脉冲频率不高，对于分辨率高的执行机构尤其是对于控制伺服电机来说，存在速度达不到，控制精度受限等缺点。对于运动控制复杂的场合，例如升降速的处理，多轴联动，直线、圆弧插补等功能实现起来都需要自己编写算法，这必将带来开发起来难度较大，研发周期较长，调试过程烦琐，系统一旦定型不太轻易扩充功能、升级、柔性不强等新问题。因此这种方案一般适用于产品批量较大、运动控制系统功能简单、且有丰富的单片机系统开发经验的用户。

二、采用专业运动控制PLC来实现运动控制。

目前，许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能（如松下NAIS的FP0，FPΣ系列），包括脉冲输出功能，模拟量输出等等。使用这种PLC来做运动控制系统的上位控制时，可以同时利用PLC的I/O口功能，可谓一举两得。PLC通常都采用梯形图编程，对开发人员来说简单易学，省时省力。还有一点不可忽视，就是它可以和HMI（人机界面）进行通讯，在线修改运动参数，如轴号，速度，位移等。这样整个控制系统中从输入到控制再到显示，非常便利。一方面将界面友好化，另一方面将控制系统的成本从整体上节省了。但具有脉冲输出功能的PLC大多都是晶体管输出类型的，这种输出类型的输出口驱动电流不大，一般只有0.1~0.2A。在工业生产中，作为PLC驱动的负载来说，很多继电器开关的容量都要比这大，需要添加中间放大电路或转换模块。和此同时，由于PLC的工作方式（循环扫描）决定了它作为上位控制时的实时性能不是很高，要受PLC每步扫描时间的限制。而且控制执行机构进行复杂轨迹的动作就不太轻易实现，虽说有的PLC已经有直线插补、圆弧插补功能，但由于其本身的脉冲输出频率也是有限的（一般为10K~100K），对于诸如伺服电机高速高精度多轴联动，高速插补等动作，它实现起来仍然较为困难。这种方案主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料设备、自动焊机等。

三、采用专用数控系统作为上位控制。

专用的数控系统一般都是针对专用设备或专用行业而设计开发生产的，像专用车床数控系统，铣床数控系统，切割机数控系统等等。它集成了计算机的核心部件，输入、输出设备以及为专门应用而开发的软件。由于是“专业对口”，人们可以尽情发挥“拿来主义”。不需要进行什么二次开发，对使用者来说只需通过熟悉过程达到能操作的目的就行。在这方面，国外知名品牌的产品在我国制造行业中早已占领了了领地，如西门子，法那克，法格，海宝等等。当然，之所以它们能大规模广泛地被采用和这种专用数控系统，是因为其功能丰富，性能稳定可靠。但为之付出的代价就是高成本。因此，适用于控制要求较高且产品档次较高的数控设备生产厂家和使用者。

四、采用PC运动控制卡作为上位控制的方案。

随着PC（PersonalComputer）的发展和普及，采用PC运动控制卡作为上位控制将是运动控制系统的一个主要发展趋向。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、运动轨迹都比较复杂，且柔性比较强的机器和设备。从用户使用的角度来看，基于PC机的运动控制卡主要是功能上的差别：硬件接口（输入/输出信号的种类、性能）和软件接口（运动控制函数库的功能函数）。按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。数字卡一般用于控制步进电机和伺服电机，模拟卡用于控制模拟式的伺服电机；数字卡可分为步进卡和伺服卡，步进卡的脉冲输出频率一般较低（几百K左右的频率），适用于控制步进电机；伺服卡的脉冲输出频率较高（可达几兆的频率），能够满足对伺服电机的控制。目前随着数字式伺服电机的发展和普及，数字卡逐渐成为运动控制卡的主流。

从运动控制卡的主控芯片来看，一般有三种形式：单片机，专用运动控制芯片，DSP。

以单片机为主控芯片的运动控制卡，成本较低，电路较为复杂。由于这种方案仍是采用在程序中靠延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，一般用这种卡控制步进电机；以专用运动控制芯片为主控芯片的运动控制卡成本较高，但其运动控制功能有硬件电路实现，而且集成度高，所以可靠性、实时性都比较好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足对步进电机和数字式伺服电机的控制。以DSP（DigitalSignalProcessor）为主控芯片的运动控制卡利用了DSP对数字信号的高速处理，能够实时完成极其复杂的运动轨迹，常用于像工业机器人等运动复杂的自动化设备中。

运动控制卡是基于PC机各种总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，总线形式也是多种多样，通常使用的是基于ISA总线，PCI总线的。而且由于计算机主板的更新换代，ISA插槽都越来越少了，PCI总线的运动控制卡应该是目前的主流。卡上专用CPU和PC机CPU构成主从式双CPU控制模式：PC机CPU可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作；卡上专用CPU来处理所有运动控制的细节

：升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占用PC机资源。同时随卡还提供功能强大的运动控制软件库：C语言运动库、WindowsDLL动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复杂的运动控制新问题。运动控制卡的功能图如下：（以MPC02为例）

<--运动控制卡的功能图-->

控制卡接受主CPU的指令，进行运动轨迹规划，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信号的检测等。每块运动控制卡可控制多轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现更多运动轴的控制；每个轴都可以输出脉冲和方向信号，并可输入原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、限位保护等功能。开关信号由控制卡自动检测并作出反应。

目前的运动控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等。具体的特征体现在硬件和软件两个方面：在硬件方面采用PC机的ISA总线方式，各种设置采用简单的跳线和拨码开关；接线方式采用D型插头；采用PC机的PCI总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，接线方式采用SISC型插头，可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。

控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还提供了一些辅助函数：中断处理、编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。

正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分利用。在目前工业生产中，它的应用范围十分广泛，在使用步进电机和数字式伺服电机的PC机运动控制系统中，都可以使用运动控制卡作为核心控制单元，例如：数控机床、加工中心、机器人等；送料装置、云台；X-Y-Z控制台；绘图机、雕刻机、印刷机械；打标机、绕线机；医疗设备；包装机械、纺织机械。

从目前工业设备中应用来看，使用专业运动控制卡作为运动控制系统的上位控制越来越普及，附带产生的各种数控系统软件也越来越多。随着像激光雕刻机，三位坐标测量仪等新兴数控设备的兴起，运动控制卡在各个方面都表现出其巨大的开发潜力以及目前都不能猜测到的应用前景，相信随着DSP运动控制卡的不断深入应用，PC运动控制卡的方式将在上位控制单元占据不可替代的地位。

运动控制范文第2篇

关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制

1引言

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。

2全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

3直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

5运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

6结束语

运动控制范文第3篇

关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制

1 引言

信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。

2 全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统,并充分发挥DSP的高速运算能力,自动完成整个伺服系统的增益调节,甚至可以跟踪负载变化,实时调节系统增益;有的驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)的功能,测算出设备的机械共振点,并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下,这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式,即伺服电机上的编码器反馈既作速度环,也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件(如:光栅尺、光电编码器等),即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是:伺服系统只接受速度指令,完成速度环的控制,位置环的控制由上位控制器来完成(大多数全闭环的机床数控系统就是这样)。这样大大增加了上位控制器的难度,也限制了伺服系统的推广。目前,国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 , 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系文秘站:统克服了上述半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环,而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙(如齿轮间隙、丝杠间隙等),补偿机械传动件的制造误差(如丝杠螺距误差等),实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成,无需增加上位控制器的负担,因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中,开始采用这种伺服系统。

3 直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用,近几年来已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。

3. 动刚度高 由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。

4. 速度快、加减速过程短 由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车(时速可达500Km/h),所以用在机床进给驱动中,要满足其超高速切削的最大进个速度(要求达60~100M/min或更高)当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性,使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速,高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度,一般可达2~10g(g=9.8m/s2),而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1~0.5g。5. 行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电机,就可以无限延长其行程长度。

6. 运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦,且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触),其运动时噪音将大大降低。

7. 效率高 由于无中间传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗,传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快,在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品,其中美国科尔摩根公司(Kollmorgen)的 PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统,它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动;德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4 可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器(Programming Logical Controller,PLC)问世以来,PLC控制技术已走过了30年的发展历程,尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展,它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器(PCC)就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较,PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务

操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小,这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题,它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台,这样应用程序的运行周期则与程序长短无关,而是由操作系统的循环周期决定。由此,它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来,满足了实时控制的要求。当然,这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下,按照用户的实际要求,任意修改。

基于这样的操作系统,PCC的应用程序由多任务模块构成,给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求,如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等,分别编制出控制程序模块(任务),这些模块既独立运行,数据间又保持一定的相互关联,这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后,可一同下载至PCC的CPU中,在多任务操作系统的调度管理下并行运行,共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势,体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS(分布式工业控制系统)技术互相融合的发展潮流,虽然这还是一项较为年轻的技术,但在其越来越多的应用领域中,它正日益显示出不可低估的发展潜力。

5 运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机 、 用于各种运动控制场合(包括位移、速度、加速度等)的上位控制单元。它的出现主要是因为:(1)为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求;(2)在各种工业设备(如包装机械、印刷机械等)、国防装备(如跟踪定位系统等)、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中,急需一个运动控制模块的硬件平台;(3)PC机在各种工业现场的广泛应用,也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心,大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地 , 运动控制卡与PC机构成主从式控制结构:PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 ( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等);控制卡完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行,运动控制卡也形成了一个独立的专门行业,具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现,如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

6 结束语

运动控制范文第4篇

关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制

1引言

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能和机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的功能。

在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。

2全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为轻易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

3直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动和原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有新问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动恬静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋向的新一代可编程控制器。

和传统的PLC相比较，PCC最大的特征在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序

来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集和刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依靠于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违反的。PCC的系统软件完美地解决了这一新问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则和程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力答应的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器和工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

5运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡和PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

6结束语

运动控制范文第5篇

随着自动化设备对控制的高精度、高响应性需求的不断增加，自动化控制技术不断提高，精确的高速定位控制得到广泛 应用 ，plc这一 工业 控制产品也从早期的逻辑控制领域不断扩展到运动控制领域，实现了以往plc无法完成的运动控制功能。

在运动控制中大多数采用我们熟悉的数控系 统或者是 计算 机运动板卡来完成，虽然作为专门的产品能够实现复杂的运动轨迹控制，但同时要完成一些逻辑动作的控制就不如plc灵活方便。台达dvp20pm系列plc高速定位、双轴线性及圆弧插补多功能可编程控制器，结合了plc逻辑动作控制和数控系统运动控制的各自优点，在功能上满足双轴插补的高速定位需求。

2 台达运动控制型plc硬件结构

dvp20pm是台达运动控制型plc。dvp20pm通过前后两个扩展口既可作为plc主机执行也可作为eh2型主机的扩展模块使用，具有x0-x7、y0-y7数字量输入输出各八点，并配置了手摇轮、零点信号、原点信号、极限信号、启动、停止等各种信号接口满足应用需求。

dvp20pm主机包含64k超大程序容量内存（flash），可支持100段运动程序，脉冲输出最高可达500khz，并具备 电子 原点返回模式，支持plc顺序语言及定位语言(g 码与m码），下面先由硬件部分简单介绍20pm 组成。

2.1 电源

dvp20pm电源规格参见表1。

表1 电源规格

2.2 i/o点规格

参见图1，dvp20pm提供的数字量输入输出点规格与台达通用plc规格基本相同，输入点支持sink（漏极）和source（源极）两种方式，输出点也有继电器输出和晶体管输出可选。

图1

需要提到的是其在运动控制中的特殊输入输出点，简述如下：

start0、start1：启动输入

stop0、stop1：停止输入

lsp0/lsn0、lsp1/lsn1：右极限输入/左极限输入

a0+、a0-、a1+、a1-：手摇轮a相脉波输入+,-（差动信号输入）

b0+、b0-、b1+、b1-：手摇轮b相脉波输入+,-（差动信号输入）

pg0+、pg0-、pg1+、pg1-：零点讯号输入+,- (差动信号输入)

dog0、dog1：原点回归的近点信号输入或多段运动的启动信号

clr0+、clr0-、clr1+、clr1-：清除信号（servo驱动器内部偏差计数器清除信号）

fp0+、fp0-、fp1+、fp1-：脉冲输出端口

rp0+、rp0-、rp1+、rp1-：脉冲输出端口

（注：0表示第一轴，1表示第二轴，如start0表示启动第一轴，start1表示启动第二轴，其他信号依次类推）

从端子分布可以看到，除了常用的极限和启动停止信号外，配置了过零脉冲pg和手摇能输入端，手摇轮是机床 应用 中常用而必备功能，而利用过零信号在精确控制场合往往会用到，当然更不用说定位控制中都会用到的dog原点信号。

2.3 配线规格

一般i/o点配线就不再赘言了，可以关注一下plc比较少用到的差分输入输出方式，在信号中有一部分是这样的，一定要注意否则将不能正确完成，参见图2、图3。

图2差分输入配线示意图

图3差分输出配线示意图

3 台达运动控制型plc软件结构

3.1 dvp20pm程序结构

由于20pm主机结合了plc顺序逻辑控制及双轴插补定位控制的功能，因此在程序架构上主要分为o100主程序、ox运动子程序及pn子程序等三大类，结合了基本指令、应用指令、运动指令及g code指令，使程序设计更多元化，结构更清晰；程序采用pmsoft软件进行编辑，参见图4。

图4 程序设计界面

（1）主程序。主程序以o100作为起始标记，m102作为结束标记，是plc顺序控制程序，主要为控制主机动作执行，在o100主程序区域中，可以使用基本指令及应用指令，或在程序中启动ox0~ox99运动子程序及调用pn子程序。主要提供主控制程序的建立，以及运动子程序的设定及启动控制。

（2）运动子程序。ox0～ox99运动子程序为运动控制程序，主要为控制20pm系列主机进行x-y轴双轴运动之子程序，于ox0～ox99运动子程序区段中，有支持基本指令、应用指令、运动指令及g码指令，并在程序中可规划呼叫pn指针子程序，通过plc提供的内部特d特m进行子程序的控制。主要提供运动子程序的建立，以及运动子程序的运动控制，在架构上可算是20pm的运动指令及g码指令规划区域。

（3） 子程序。这里所说的子程序是指以pn开头的一般用子程序，主要是被o100主程序及ox运动子程序调用的子程序。如在o100主程序调用pn指针，则pn指针子程序支持基本指令及应用指令；若在ox0 ~ ox99运动子程序中调用pn指针时，则pn指针子程序区段可支持基本指令、应用指令、运动指令及g码指令。

3.2 pmsoft软件介绍

与台达plc的wplsoft软件相似，dvp20pm的编程软件pmsoft按照iec61131标准设计，具有梯形图和语句表两种编程方式，且具有g码汇入、错误提示、区段注释、装置注释、标尺、完善的监控窗口、运动指令追踪等便利工具提供给用户，特别值得一提的是该软件具有运动轨迹仿真功能，当您编辑好程序后可利用此功能对加工轨迹进行模拟演示，参见图5。

为方便切换阶梯窗口，只要点选系统信息列中的树枝状对应的程序编号，自动切换对应的程序编辑窗口，在pmsoft编辑环境中同时只能有一个阶梯图窗口，这是为了在庞大复杂程序中找寻程序方便，同时将主程序、运动子程序、一般子程序这三种程序模块化处理，o100主程序只有一个编辑窗口，oxn运动程序有100个编辑窗口，pm子程序有256个编辑窗口，总共有357个窗口，每个窗口未编辑都有10 network。程序编辑由 网络 区段组成，每个网络区段是由输入与输出编辑区域所组成，在编辑过程中，自动产生逻辑结构正确的阶梯图，使用者无须再做额外补线的动作，网络区段编辑并具有错误提示功能。

图5 梯形图编程界面

4 运动控制编程

4.1 相关概念

在谈到dvp20pm产品的 应用 之前，我们对以下概念进行一个简要介绍。

（1）插补。插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点。从而为轨迹控制的每一步提供逼近目标。

逐点比较法是以四个象限区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点已在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量（一个进给脉冲驱动下工作台所走过的距离）。

（2）直线插补。这个概念一般是用在 计算 机图形显示,或者数控加工的近似走刀等情况下，以数控加工为例子：

一个零件的轮廓往往是多种多样的，有直线，有圆弧，也有可能是任意曲线，样条线等。数控机床的刀具往往是不能以曲线的实际轮廓去走刀的，而是近似地以若干条很小的直线去走刀，走刀的方向一般是x和y方向。

插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补,样条线插补等等。

所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式(如果不是直线,也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近,从而每一段线段就可以用直线插补了).首先假设在实际轮廓起始点处沿x方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点在实际轮廓的下方,则下一条线段沿y方向走一小段,此时如果线段终点还在实际轮廓下方,则继续沿y方向走一小段,直到在实际轮廓上方以后,再向x方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段的折线拼接而成,虽然是折线,但是如果我们每一段走刀线段都非常小(在精度允许范围内),那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的－－这即是直线插补。

（3）联动与插补。一个点的空间位置需要三个坐标，决定空间位置需要六个坐标。

一个运动控制系统可以控制的坐标的个数称做该运动控制系统的轴数。而可以同时控制运动的坐标的个数称做该运动控制系统可联动的轴数。联动各轴的运动轨迹具有一定的函数关系，例如直线，园弧，抛物线，正弦曲线。直接计算得出运动轨迹的坐标值往往要用到乘除法，高次方，无理函数，超越函数，会占用很多的cpu时间。为了实时快速控制运动轨迹，往往预先对运动轨迹进行直线和圆弧拟合，拟合后的运动轨迹仅由直线段和圆弧段所组成，而计算运动轨迹时，每一点的运动轨迹跟据前一个坐标点的数据通过插补运算得到，这样就把计算简化为增量减量移位和加减法。

实现多轴联动的直线插补并不困难，圆弧插补一般为两轴联动。插补运算可以有多种算法，例如 "dda 算法"，"逐点比较法"，"正负法"，"最小偏差法（bresenham 算法）"等，其中最小偏差法具有最小的偏差和较快的运行速度。

dvp20pm运动控制型plc可实现2轴联动，支持直线和圆弧插补，以及相应的第三轴处理。

（4）数控软件。dvp20dpm支持复杂的运动轨迹控制，那是如何实现的呢？简单的说，将复杂轨迹通过autocad等软件生成图形，再经过cam软件转换为g代码，而pmsoft可以直接导入文本格式的g代码，这样就可以完成运动程序下载到20pm中执行。那么怎样完成图形到g代码的转换呢，这就需要cam软件了，以下简单介绍一些常用的cam软件：

目前 cad/cam行业中普遍使用的是 mastercam 、 cimatron 、 pro-e 、 ug 、 catia...

• mastercam 是最常用的一种软件，大多数数控操作员都使用 mastercam ，它集画图和编程于一身，绘制线架构最快，缩放功能最好。

• cimatron 是迟一些进入 中国 的软件，在刀路轨迹上的功能优越于 mastercam，现已被广泛地 应用 。

• pro/e 是美国 ptc 开发的软件，现已成为全世界最普及的三维 cad/cam 系统。集多种功能于一体，用于模具设计、产品画图、广告设计、图像处理、灯饰造型设计，是最好的画图软件，一般来说用 pro-e 画图，用 mastercam 或 cimatron 加工。

当然还有其他同类软件也同样可以使用，通过这些软件将我们想要加工的轨迹曲线数据转换为plc或数控系统可以识别执行的代码，从而控制我们的设备运动。

4.2 运动控制特点

（1）dvp20pm特色。多段速执行及中断定位，利用此项功能实现运动的平滑性及准确定位。64k步程序容量,100段运动程序，满足不同加工需求；在20pm中最大可设置100种运动轨迹，同时利用64k的程序容量，预先将需要执行的各种不同运行曲线的g码存储在plc中，当需要加工某种规格时，可以采用文本显示器、触摸屏等来调用。支持g码的直接汇入，当采用cam软件生成文本格式的g码后，可利用pmsoft的汇入菜单直接汇入到plc运动程序中。脉冲输入输出采用差动方式，最高达500khz，满足了绝大多数应用中速度的要求。支持手摇轮应用，这是运动控制中的一个基本功能，可做一些手动的调整。具备 电子 原点返回模式，在20pm内存中加入了原点记忆功能，只要设定了电子原点，即使设备断电，在下次上电后也可以轻松找到原点位置。可连结eh2主机与所有扩充模块，20pm可以灵活配置，即可以接在eh2主机后作为专门定位扩展模块，也可以做为主机连接其他的模拟量等特殊功能模块。支持plc顺序语言及定位语言(g 码与m码），实现了通用plc与数控技术的一个完美结合。配置运动轨迹的离线仿真功能，在实际加工前利用该项功能可以检查运动程序是否存在 问题 ，可及时解决减少错误发生，参见图6。

（2）轴控方式。准确的说，dvp 20pm是实现两轴（x、y轴）联动插补的产品，支持数控程序中的g码功能指令，同时可以处理第三轴的动作。

20pm支持的g 代码功能如下：g0 高速定位；g1 双轴联动直线插补；g2 顺时针圆弧插补（设定圆心位置）；g3 逆时针圆弧插补（设定圆心位置）；g2 顺时针圆弧插补（设定半径长度）；g3 逆时针圆弧插补（设定半径长度）；g4 停顿时间；g90 设定绝对坐标系统；g91 设定相对坐标系统。

对于第三轴（z轴）处理方式如下：20pm目前只规划2轴，当g0中指定了z轴时，此g0指令中z轴将被拆解独立出来。

例: g0xp1yp2zp3 g0zp3

g0xp1yp2

g0zp3执行时20pm将自动呼叫p255并以d0传递p3，使用者可于p255中处理z轴动作。

4.3 一个案例

液晶切片机的硬件案例。在该设备中配置了dvp32eh2+dvp20pm+dvp01pu*4来控制六轴运动，其中两轴采用圆弧插补完成倒角运动，另外四轴为独立运动。实现了设备的点动、原点回归、半自动及自动运行，达到精确位置控制。

5 结束语

运动控制范文第6篇

关键词：伺服驱动技术，直线电机，可编程计算机控制器，运动控制

1引言

信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。

2全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

3直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

4可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

5运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

6结束语

运动控制范文第7篇

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。

2直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1.高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。

2.精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。

3.动刚度高由于"直接驱动"，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。

4.速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述"零传动"的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达2～10g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.1～0.5g。

5.行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。

6.运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

7.效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。

直线传动电机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在国外工业运动控制相对发达的国家已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直线电机和SERVOSTARCD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、日本三井精机公司、台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电机。

3可编程计算机控制器技术

自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。

与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。

基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。

PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。

4运动控制卡

运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。

运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。

这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。

5结束语

计算机技术和微电子技术的快速发展，推动着工业运动控制技术不断进步，出现了诸如全闭环交流伺服驱动系统、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等许多先进的实用技术，为开发和制造工业自动化设备提供了高效率的手段。这也必将促使我国的机电一体化技术水平不断提高。

摘要：信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展，在机械工业自动化中出现了一些运动控制新技术：全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、运动控制卡等。本文主要分析和综述了这些新技术的基本原理、特点以及应用现状等。

运动控制范文第8篇

1远程控制系统模型设计

1．1远程控制系统网络架构随着Internet技术的不断发展，互联网应用范围日益广泛，并且互联网的安全性问题、数据传输的实时性问题也得到了很好的解决，使得各种不同的信号都能保质保量地在互联网上传送。再者，现在数控设备的可控性、开放性越来越好，可以用不同的方式来控制设备的运作。本系统的网络体系结构如图2所示。系统采用B/S(浏览器/服务器)网络模式。服务器采用Windows系统自带的IIS服务器。远程控制客户端由浏览器组成，它们负责与运动控制卡的数据接口，并将参数按一定的协议通过网络传递给后端的服务器进行处理。服务器端有专门处理控制参数的服务程序，服务程序根据控制参数调用动态链接库驱动设备运动。同时服务器端根据服务程序从运动控制卡取得设备的各种状态参数并反馈到客户端，因此客户端能很方便地采集数据和监测设备。

1．2系统工作流程用户在浏览器中输入Web服务器的地址，Web服务器将用Flash制作的控制台用浏览器的形式显示到客户端，客户端根据XML配置文件连接到执行服务器。用户设定好所需参数后提交给应用服务器，应用服务器直接和客户端浏览器建立连接，将运动控制器状态参数传送到浏览器中。当用户发送运动命令时，执行服务器将加工任务映射为运动控制器的数控内核API进行调用，驱动运动控制器实现用户所设定的运动。

2Web远程控制系统的软件设计

2．1远程数据传送技术Internet环境下的“WWW”以“请求－响应”的方式进行工作。客户端浏览器只有不断地向Web服务器发送请求，才能进行数据更新，因而具有被动性和滞后性，无法及时获取远程设备的实时状态信息，而且当网页中仅有部分数据发生了变化，Web服务器也必须重新发送整张网页，加重了Web服务器的负担，降低了数据传输的效率。为此，必须引入数据传送技术，以实现客户端浏览器中网页的自动局部更新。引入数据传送技术后，当远程设备的数据发生变化时或者按照一定的采样周期，服务器可主动向客户端浏览器发送以XML格式封装的仅包含远程设备状态信息的数据，客户端浏览器根据所接收到的数据对网页进行局部更新。

2．2用户端程序设计用户端程序主要是开发Web嵌入式数据接收程序，采用兼容性、跨平台性好的FlashApplication嵌入网页中来实现数据的传送和接收。Flash中内建的XMLSocket对象允许基于FlashApplication的客户端数据接收程序与远程设备上的数据推送程序之间建立基于Socket的连接，并通过该连接进行双向的无限制数据交换。FlashApplication在客户端浏览器中通过XML-Socket向远程设备上的数据推送程序发出连接请求，在与远程设备上的数据推送程序建立连接后，FlashApplication就能够自动接收来自远程设备以XML格式封装的数据，并从中分析出所需信息来刷新浏览器中的网页。当用户提交控制参数后，必须对用户的参数进行XML封装，再传到服务程序中解析。图4是软件的登录界面，登录后可以实现对设备的简单控制以及对各轴运动进行监测。

2．3服务器端程序设计服务器端的程序用C#编写，主要实现以下功能:a．建立线程监听和处理用户端的请求。b．接收和解析客户端传送过来的参数，并根据参数调用动态链接库函数驱动设备运转。c．当驱动设备工作后，启动监测线程，监测机器各轴的状态，并把状态、限位等状态参数封装传送到客户端。用户打开浏览器对机器进行远程操作时，服务程序创建一个缓冲区用来接收用户封装的数据，然后取得封装数据首节点的第一个子级，通过节点关系可以一级级地解析出子节点的内容。所有的请求数据都采用这种解析的方法处理。服务程序不断地从设备中取得状态参数，并把参数封装传送到用户浏览器端。由于采用了XML数据封装与解析技术，避免了客户端网页无休止地刷新。

3实现对终端设备的远程控制

在深圳地铁公司运营总部综合监控实验室，运行远程控制系统的客户端程序，通过Internet网络成功实现对快速成形机各轴的移动控制及坐标位置反馈。

4结束语

本文所研究的远程运动控制系统主要实现了以下功能:a．远程设备控制。通过Internet/Intranet网络对设备进行参数设置和控制，如PID参数调节，电机运动位置、速度、加速度参数设置，电机远程启停、正反转控制等等。b．远程设备监测。对运动控制器位置、限位等状态进行监视并对监测数据进行XML封装后传送到客户端浏览器中。远程控制系统只是对快速成形设备实现简单的运动和监视，下一步的研究是实现在客户端进行CAD模型的数据切片分解，并将数据封装传输到服务器，实现复杂的运动控制。

运动控制范文第9篇

关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制

1 引言

信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。

随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。

2 全闭环交流伺服驱动技术

在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统,并充分发挥DSP的高速运算能力,自动完成整个伺服系统的增益调节,甚至可以跟踪负载变化,实时调节系统增益;有的驱动器还具有快速傅立叶变换(FFT)的功能,测算出设备的机械共振点,并通过陷波滤波方式消除机械共振。

一般情况下,这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式,即伺服电机上的编码器反馈既作速度环[，！],也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度,应在最终的运动部分安装高精度的检测元件(如:光栅尺、光电编码器等),即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是:伺服系统只接受速度指令,完成速度环的控制,位置环的控制由上位控制器来完成(大多数全闭环的机床数控系统就是这样)。这样大大增加了上位控制器的难度,也限制了伺服系统的推广。目前,国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 , 使得高精度自动化设备的实现更为容易。其控制原理如图1所示。

该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷,伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等),作为位置环,而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙(如齿轮间隙、丝杠间隙等),补偿机械传动件的制造误差(如丝杠螺距误差等),实现真正的全闭环位置控制功能,获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成,无需增加上位控制器的负担,因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中,开始采用这种伺服系统。

3 直线电机驱动技术

直线电机在机床进给伺服系统中的应用,近几年来已在世界机床行业得到重视,并在西欧工业发达地区掀起"直线电机热"。

在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为"零传动"。正是由于这种"零传动"方式,带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。

1. 高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等),使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高,反应异常灵敏快捷。

2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差,减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制,即可大大提高机床的定位精度。

3. 动刚度高 由于"直接驱动",避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象,同时也提高了其传动刚度。

运动控制范文第10篇

通过对“运动控制”课程设计教学的研究与实践，提出了交流电机矢量控制调速系统课程设计的新方法。将矢量控制的理论模型与变频器实际的矢量控制系统结构图进行对比分析，研究变频器的矢量控制和工艺流程PID控制器所包含模块的参数设置，综合运用现代运动控制系统的现场总线通信与PLC编程技术、人机界面与组态软件技术，完成具有实际工程背景的课程设计。丰富了运动控制课程设计的教学内容，促进了学生的理论知识与现代工程技术密切结合。

关键词:

课程设计;交流调速系统;矢量控制;变频器

“运动控制系统”教学容易出现重视理论分析和传统教学实验，轻视实际控制系统中先进技术应用的分析;“运动控制课程设计”又经常成为理论上的设计，或控制系统理论模型的仿真验证。受实践教学环境限制，选题一般是双闭环模拟直流调速系统设计及调试，或是数字直流调速系统设计及仿真。交流调速课程设计一般是基于稳态数学模型的SPWM变频技术、V/f协调控制方式、单闭环无静差数字调速系统设计及仿真;变频电源硬件电路包括三相电压源型变频电源主电路、保护电路、单片机的检测、控制电路和驱动电路设计。从开关器件、控制电路的参数计算到软件的设计编程，内容丰富、时间紧凑。虽然对系统的整体设计训练有很大帮助，但与实际工程应用现状差距很大。提高变频电源的效率在硬件电路上要求尽可能提高功率器件的开关频率、采用软开关技术、完善的功率器件驱动电路和缓冲电路的设计;软件上还得考虑改进正弦调制波等［1－2］。而两周的课程设计时间要完成类似这种交流调速系统的软、硬件设计，更进一步从变频电源到采用矢量控制理论的数字调速系统的设计及仿真，会有很大难度。考虑到无论采用什么数学模型处理交流电动机变频调速问题，变频电源硬件电路基本上是一样的或是通用的。因此可以考虑在“电力电子技术”课程中布置大作业或开设“电力电子技术课程设计”，完成数字交、直流调速系统硬件电路的设计。基于动态数学模型的交流电动机矢量控制技术已经相当成熟，在中、高档变频器中得到广泛应用。因此课程设计的选题应该覆盖矢量控制技术，采取有效措施加强理论教学和实际工程先进技术应用的结合。深刻理解矢量控制理论在交流调速系统中的应用;如何利用变频器构成闭环控制系统;如何采用工业现场总线、PLC，将变频器集成在大型复杂控制系统中。为此实验室做了“运动控制课程设计”的教学改革研究，并设计了异步电动机协调控制的综合实验平台。

1矢量控制数学模型

交流调速的教学往往是数学公式推导多、仿真也仅限于课堂教学演示。学生缺少相关的训练，对电机数学模型及各种控制方法难以理解，更不清楚矢量控制理论在实际系统中如何实现［3－4］。所以课程设计开始要引导学生对教材中各种矢量控制系统模型特点进行分析总结，并对西门子MM440变频器的各种控制结构图［5］进行对比分析，找出理论上与实际交流调速系统最接近的控制模型，深刻理解矢量控制技术在实际系统中如何具体实现。相关文献［6－8］有多种矢量控制理论的异步电动机控制模型。按照转子磁场定向的矢量控制系统、根据其对磁链处理方法不同又分为间接矢量控制系统和直接矢量控制系统，后者模型一般包括速度调节器、转矩调节器、磁链调节器，甚至包括三相电流调节器。其中，逆变器采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的异步电动机直接矢量控制变频调速系统与实际变频器中的矢量控制模型比较接近。控制系统结构图都设置了转速和磁链两个闭环子系统，但实际系统没有设置磁链调节器和转矩调节器，而是通过励磁电流调节器和转矩电流调节器实现解耦控制。根据电机转速获取方法不同又分为不带编码器(SLVC)的和带编码器(VC)的矢量控制模型;两个模型根据控制系统给定值不同，又都具有转速控制及转矩控制两种方式。但这里的转矩控制是指变频器的控制方式，区别于理论上同样基于动态数学模型的异步电动机直接转矩控制系统。图2中速度调节器、转矩电流调节器及关于转子磁场定向角辨识的3个模块都含有可设定参数，根据系统运行可以精确调试，或者采用变频器默认参数值。磁链闭环子系统的不同是实际系统与理论模型的主要差别:磁链子系统中磁化曲线模块的输出，作为励磁电流调节器的给定值。因此实际操作中，预先通过变频器参数设定环节测量电动机的磁化曲线显得非常重要。通过模型分析，学生不仅深入了解矢量控制理论在实际系统中的应用技术，而且容易理解变频器有关矢量控制参数的物理意义以及设置。

2工业过程闭环控制

西门子MM440矢量变频器的控制方式按照电动机的数学模型可以分为两大类:基于稳态数学模型的V/f特性控制和基于动态数学模型的矢量控制［9］。前者又细分为V/f线性的、带有电压提升的、滑差补偿的几种方式，但都是电机转速开环控制;而后者是转速闭环控制。为了满足实际控制系统的要求，变频器提供了工艺流程PID控制器。以节能为主要目的的异步电动机调速系统一般只需要平滑调速，对动态性能要求不高，适合采用V/f特性控制方式，如变频供水和通风系统。课程设计题目要求学生设计由PLC、变频器和两台电机组成的“一拖多”变频供水系统。完成从变频器的控制方式、闭环控制系统的给定、反馈通道和反馈信号等变频器有关参数设置，到PLC的简单控制程序。熟悉系统的PID控制器默认参数及调节范围，并在最后实验过程中运行调试。硬件电路包括接触器、PLC的控制电路，还有从实验平台数字电压表箱取出负载发电机输出电压信号，模拟供水压力反馈信号给变频器的模拟输入端子。

3工业现场总线

现代运动控制系统很少是单台变频器(电机)运行，往往是数台变频器协调控制，系统中还有各种数据采集及其他智能终端设备。矢量变频器在复杂系统中仅仅是一个高智能的电机驱动器，依靠其扩展通讯模块集成到工业现场总线控制系统中。课程设计典型题目—多电机协调控制系统，要求学生设计卷绕机械装置驱动控制系统。这里不仅要控制卷材的张力还要协调两台电机的运行速度［10］，两台电机分别采用转矩控制和转速控制。变频器适合采用无脉冲编码器的矢量控制(SLVC)方式。SLVC的控制性能取决于变频器相关参数的设置以及电动机数据测量的精度，因此，系统调试前必须用变频器对电动机所有参数进行自动检测。主、从电动机协调控制实验平台采用低成本的集成方式。采用西门子PLC200SMART可编程控制器和两台MM440变频器，通讯采用485总线、USS通讯协议，因此不需要额外的现场总线通讯模块。PLC200作为主站控制变频器，按照系统的设计要求设置变频器的控制参数，控制电动机的启动、停止，控制方式的切换，运行速度的协调等;并采集每台电动机的运行数据传送到工作站。除了交流调速系统外，典型的直流电机双闭环数字调速系统、机器人［11－12］及车辆控制等作为课程设计题目具有丰富的研究内容，所以要不断地为学生创造相应的实践教学环境。

4结语

“运动控制”课程设计的教学过程具有综合性、实践性和创新性的特点，课程设计过程要启发学生以掌握的理论知识去分析先进工程技术实际模型。这里特别要注重矢量控制结构图中理论与实际的差距，掌握变频器参数设置及工艺流程PID控制器的应用，以及现代运动控制系统中工业现场总线技术、人机界面与组态软件技术的综合应用。

作者：徐江宁 单位：大连理工大学电子信息与电气工程学部

参考文献:

［1］刘凤君．现代高频开关电源技术及应用［M］．北京:电子工业出版社，2008:152－169．

［2］王兆安，刘进军．电力电子技术［M］．5版，北京:机械工业出版社，2009:159－163．

［3］白锐，张健．交流调速控制系统课程的教学改革与实践［J］．中国现代教育装备，2012(9):56－57，63．

［4］张敬南，彭辉．电力拖动控制系统课程教学改革与实践［J］．实验室研究与探索，2014，33(9):236－239．

［5］西门子电气传动有限公司．MICROMASTER440参数手册［EB/OL］．［2006－7－24］．

［6］李华德，李攀，白晶．电力拖动自动控制系统［M］．1版，北京:机械工业出版社，2009:158－176．

［7］周渊深，陈涛，朱希荣，等．电力拖动自动控制系统［M］．北京:机械工业出版社，2013:231－247．

［8］陈伯时，陈敏逊．交流调速系统［M］．3版，北京:机械工业出版社，2013:117－128．

［9］西门子电气传动有限公司．MICROMASTER440操作说明［EB/OL］．［2006－12－5］．

［10］张燕宾．变频器的转矩控制功能及其应用［J］．电气时代，2005(2):84－86．

［11］陈卫东，韩兵，杨明，等．运动控制系统课程体系改进与创新［J］．实验室研究与探索，2013，32(9):157－159．