陳啟雷　張禮兵　陳俊澍　胡樂(lè)意

摘 要：隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器作為運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵核心部件，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。文章根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的在各行各業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)運(yùn)控控制器進(jìn)行歸類和總結(jié)，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制器；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

引言

在機(jī)電一體化設(shè)備中，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是其中一個(gè)關(guān)鍵的核心技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)將預(yù)定的控制指令轉(zhuǎn)變成被控對(duì)象的預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精確控制，其中，運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中的一個(gè)的關(guān)鍵部件。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器作為機(jī)電一體化設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵核心部件，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。

1 運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用現(xiàn)狀

運(yùn)動(dòng)控制器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的自動(dòng)化設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、雕刻機(jī)、切割機(jī)、鉆孔機(jī)、印刷機(jī)、沖孔機(jī)、激光雕刻、激光切割、包裝機(jī)、紡織機(jī)、食品加工、繪圖機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、焊接機(jī)、電子裝配自動(dòng)檢測(cè)等，甚至在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)所用的CPU不同，運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品主要有以下五種類型：

（1）以單片機(jī)（MCU）為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，低端采用8位或16位的單片機(jī)作為處理器，其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較低廉，缺點(diǎn)是運(yùn)行速度較慢，控制精度較低。因此這種運(yùn)動(dòng)控制器適用于一些低速或運(yùn)動(dòng)控制精度要求不高的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或輪廓運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)化設(shè)備。

（2）以專用芯片為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM628和LM629專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，日本的NOVA生產(chǎn)的MCX304、MCX501等運(yùn)動(dòng)控制芯片是專門為精密控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)而設(shè)計(jì)的專用處理器，產(chǎn)品應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、雕刻機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)用設(shè)備、繞線機(jī)、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、繪圖儀、點(diǎn)膠機(jī)、IC制造設(shè)備等領(lǐng)域。

（3）以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，美國(guó)DeltaTau公司生產(chǎn)的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器，采用Motorola的DSP56003作為處理器。國(guó)內(nèi)的基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制器，通常以美國(guó)TI公司推出的C2000系列，例如TMS320F2812和TMS320F28335作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心芯片。

（4）基于SOPC技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器，System-on-a-Programmable-Chip（SOPC），即可編程片上系統(tǒng)，這種運(yùn)動(dòng)控制器主要有兩種類型：基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)和基于FPGA嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)，如Altera公司推出的采用了哈佛結(jié)構(gòu)、具有32位指令集成的第二代片上可編程的軟核和硬核處理器。

（5）多CPU的運(yùn)動(dòng)控制器，這種類型的運(yùn)動(dòng)控制器采用兩個(gè)及以上的CPU，例如采用ARM和FPGA的多CPU運(yùn)動(dòng)控制器、DSP和FPGA的多CPU運(yùn)動(dòng)控制器以及ARM+DSP+FPGA相結(jié)合的多CPU運(yùn)動(dòng)控制器[2-3]。

目前運(yùn)動(dòng)控制器主要分為三大類：基于PC的運(yùn)動(dòng)控制器、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器和全軟件型運(yùn)動(dòng)控制器。

（1）基于PC運(yùn)動(dòng)控制器，采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的模式，運(yùn)動(dòng)控制卡配有API函數(shù)庫(kù)供用戶調(diào)用，用戶根據(jù)需求進(jìn)行二次開發(fā)PC機(jī)界面系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PCI總線、ISA總線、USB接口或網(wǎng)絡(luò)接口等與工控機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行連接[4]。例如美國(guó)DeltaTau公司的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器、深圳固高公司的GE/GT/GH系列運(yùn)動(dòng)控制器、研華科技開發(fā)的PCL/PCM/PCI系列的控制器等。

（2）嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，采用嵌入式處理器（ARM/DSP等），該控制器是一種可以脫離PC機(jī)單獨(dú)運(yùn)行的獨(dú)立型運(yùn)動(dòng)控制器[5]，例如ARM+DSP嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器、固高科技公司開發(fā)的GUC系列嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。

（3）全軟件型運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制功能全部采用軟件算法實(shí)現(xiàn)，硬件電路實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部接口之間的連接。全軟件型運(yùn)動(dòng)控制器如美國(guó)MDSI公司的OpenCNC、SoftServo公司研制的ServoWorks、德國(guó)PowerAutomation公司的PA8000NT、固高科技的GO系列運(yùn)動(dòng)控制器。

2 運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展與之相適應(yīng)，其發(fā)展趨勢(shì)向多軸化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式、智能化、可重構(gòu)性等方向發(fā)展[6]。

（1）多軸化運(yùn)動(dòng)控制器，內(nèi)部存在PLC模塊與MC模塊，可以實(shí)現(xiàn)可控制的更高精度的工作，同時(shí)多軸化可以使其控制的內(nèi)容更加多。如今因其具有高效穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如今已廣泛的應(yīng)用于包裝、印刷、切割、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域中。

（2）網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)以太網(wǎng)技術(shù)與工控機(jī)或其它設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，另外，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與驅(qū)動(dòng)器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間進(jìn)行交互數(shù)據(jù)和通訊，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)如以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議等。

（3）開放式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制器，開放式運(yùn)動(dòng)控制器是新一代工業(yè)控制器，開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器可以應(yīng)用于更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行上位機(jī)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器之間的互連，同時(shí)，可以把不同廠家的部件集成在同一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，從而降低開發(fā)成本。

（4）智能化運(yùn)動(dòng)控制器，這種類型的控制器具備自適應(yīng)控制功能，例如根據(jù)載荷變化自適應(yīng)調(diào)整控制參數(shù)、自動(dòng)選擇控制模型、自整定、設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)診斷、自動(dòng)修復(fù)等智能化功能。

（5）可重構(gòu)型運(yùn)動(dòng)控制器，這種類型的運(yùn)動(dòng)控制器可根據(jù)用戶對(duì)控制器功能的實(shí)際需求分別從硬件和軟件方面進(jìn)行快速重構(gòu)，運(yùn)動(dòng)控制器的硬件可重構(gòu)，根據(jù)用戶的實(shí)際需求對(duì)控制器的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；運(yùn)動(dòng)控制器的軟件可重構(gòu)，根據(jù)用戶對(duì)控制器的功能模塊的實(shí)際需求采用模塊化方式進(jìn)行增加、裁剪、修改和重構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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