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案例頻道作者簡介
王曄（1976-），寧夏銀川人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)機(jī)器控制技術(shù)有限公司，研究方向?yàn)楣S自動化、智能裝備、自動化產(chǎn)線、運(yùn)動控制。
隨著社會發(fā)展的需要，各制造企業(yè)對機(jī)器裝備自動化、智能化水平的要求不斷提高，做為核心技術(shù)的運(yùn)動控制系統(tǒng)，其作用更為突出。運(yùn)動控制器在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，又占有舉足輕重的地位。本文從基礎(chǔ)概念層面跟大家交流三個(gè)問題：運(yùn)動控制的基本概念，運(yùn)動控制器類型及適用場合，運(yùn)動控制器發(fā)展的未來趨勢。
1 運(yùn)動控制的基本概念
客戶看到的市場情況就是很多廠商都說自己做運(yùn)動控制，做運(yùn)動控制器的廠商說自己在做運(yùn)動控制，伺服廠商也說自己做運(yùn)控控制，做電機(jī)、編碼器、絲桿的廠商也宣傳自己專業(yè)是做運(yùn)動控制。實(shí)際上大家都沒錯(cuò)，但這樣給市場的印象是比較零散的，而客戶期望的是有人能夠較為系統(tǒng)地將運(yùn)動控制全貌描述給自己。
運(yùn)動控制起源于早期的伺服控制，運(yùn)動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡單地說，運(yùn)動控制就是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動。
運(yùn)動控制是通過運(yùn)動控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動控制系統(tǒng)是由多個(gè)環(huán)節(jié)組成的一套精密耦合的系統(tǒng)，缺少了任意一個(gè)環(huán)節(jié)，都不可能完成特定的動作控制，而且每個(gè)環(huán)節(jié)中所涉及的專業(yè)知識又相對比較獨(dú)立。
運(yùn)動控制系統(tǒng)主要包含了執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要指執(zhí)行動作的電機(jī)、液壓泵、氣缸等部件動作，帶動各類機(jī)械機(jī)構(gòu)用以輸出各類動作。控制機(jī)構(gòu)主要指伺服驅(qū)動器及運(yùn)動控制器（或帶運(yùn)動控制功能的PLC等）、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、以及用以形成閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)所需的反饋部件，如編碼器、光柵尺、視覺系統(tǒng)等。
淺談運(yùn)動控制系統(tǒng)核心——運(yùn)動控制器本文主要探討的是運(yùn)動控制系統(tǒng)中的控制機(jī)構(gòu)。
在此簡單描述一下運(yùn)動控制系統(tǒng)的全貌，如果將一整套運(yùn)動控制系統(tǒng)比作一個(gè)人的話，那么運(yùn)動控制器就相當(dāng)于一個(gè)人的大腦，伺服驅(qū)動器就相當(dāng)于人體的肌肉組織，伺服電機(jī)就是我們的手和腳，視覺系統(tǒng)、編碼器就相當(dāng)于我們的眼睛和耳朵，用于連接各個(gè)部分的信號線或高速網(wǎng)絡(luò)就是我們?nèi)梭w的神經(jīng)系統(tǒng)。各個(gè)部分配合起來，協(xié)同完成對運(yùn)動的控制。
各個(gè)部分簡介如下：
運(yùn)動控制器，主要用于生成動作所需的軌跡以及多軸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，如插補(bǔ)聯(lián)動等。此外，高級一些的運(yùn)動控制器，還可以將檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的編碼器信號直接接入，兼具有對伺服的位置閉環(huán)甚至速度閉環(huán)調(diào)節(jié)的能力。運(yùn)動控制器輸出的信號基本都是小信號，如高頻的脈沖、±10V的模擬量等。
伺服驅(qū)動器，主要是根據(jù)運(yùn)動控制器發(fā)出的各種指令（位置、速度、力矩），進(jìn)行強(qiáng)電轉(zhuǎn)換，驅(qū)動對應(yīng)的電機(jī)產(chǎn)生相對應(yīng)的動作。其最核心的部分是其電流環(huán)（力矩環(huán)）的控制。經(jīng)過工廠自動化歷史發(fā)展的演變，伺服驅(qū)動器的功能是越來越豐富，目前市場上流行的各種伺服驅(qū)動器實(shí)際上已經(jīng)基本具備了位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的全套控制，而且有一些驅(qū)動器甚至集成了部分PLC的功能及運(yùn)動控制軌跡規(guī)劃功能，在一些應(yīng)用場合受到客戶的極大歡迎。但我個(gè)人理解，伺服驅(qū)動器未來發(fā)展也許最終會退回到功率轉(zhuǎn)換的基本功能，也就是只完成電流環(huán)的控制。
電機(jī)，是整個(gè)運(yùn)動控制電控系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它分為很多種伺服電機(jī)，是一門專業(yè)性很強(qiáng)的學(xué)科，非常重要，這里不做過多敘述。
編碼器，是用來檢測各類機(jī)構(gòu)位置的反饋裝置。編碼器裝在伺服電機(jī)的軸上面，用來檢測電機(jī)的位置，同時(shí)將信號實(shí)時(shí)傳輸給伺服驅(qū)動器，從而構(gòu)成我們俗稱的半閉環(huán)系統(tǒng)。此外，有很多運(yùn)動控制器也可以接收編碼器信號，將裝在最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的編碼器信號反饋到運(yùn)動控制器中，從而構(gòu)成全閉環(huán)控制。編碼器還可以根據(jù)反饋信號的類型分為增量式編碼器和絕對值型編碼器。
連接方式，用以連接各個(gè)環(huán)節(jié)的方式也有很多學(xué)問，以前控制器與驅(qū)動器之間的連接基本是一對一連接，用以傳輸位置或速度信息，但這種連接方式在系統(tǒng)控制的軸數(shù)較少的情況下，問題不大。當(dāng)系統(tǒng)控制的軸數(shù)超過8軸時(shí)，這種連接方式的布線及電氣信號質(zhì)量穩(wěn)定性就會產(chǎn)生很多問題，由此，產(chǎn)生了各類總線系統(tǒng)。但目前總線協(xié)議并沒有統(tǒng)一，各大伺服廠商紛紛推廣自己的協(xié)議，有的開放，有的封閉。
由此可見，運(yùn)動控制系統(tǒng)的專用性較強(qiáng)，涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容也較多，加上各類廠家從不同角度推銷自己產(chǎn)品時(shí)的各類專業(yè)術(shù)語，給廣大用戶尤其是初次接觸運(yùn)動控制系統(tǒng)的工程師，想快速選型并掌握其中的要點(diǎn)，并在實(shí)際應(yīng)用中完成機(jī)器裝置的動作控制，造成了一定的困惑。其中，最困惑的可能要屬于運(yùn)動控制器的選型及應(yīng)用方面的問題。在此，針對運(yùn)動控制器類型及適用場合談?wù)剛€(gè)人的理解和看法，有不當(dāng)之處，也請各位同仁多多包涵，并批評指正。
2 運(yùn)動控制器類型及適用場合
運(yùn)動控制器大體可以分為兩種類型：一種是獨(dú)立式的運(yùn)動控制器，其中包括帶運(yùn)動控制模塊或功能的PLC和專用運(yùn)動控制器；另一種是以工控機(jī)或PC機(jī)為載體，插接運(yùn)動控制卡的一種形式。這兩種類型的運(yùn)動控制器在實(shí)際應(yīng)用中各有千秋，不同應(yīng)用場合也有著各自不同的應(yīng)用要求，下面分別進(jìn)行介紹。
獨(dú)立式運(yùn)動控制器主要應(yīng)用在對人機(jī)交互界面要求不高的場合下，加工的產(chǎn)品類別有限，配套觸摸屏就可以完成特定工作參數(shù)的設(shè)定和操作的場合，例如包裝機(jī)、印刷機(jī)、繞線機(jī)等。這里肯定有人會問，這些設(shè)備很多是可以用普通PLC控制的，為什么還要采用獨(dú)立式運(yùn)動控制器？
那么什么時(shí)候適合采用普通PLC，什么時(shí)候適合采用獨(dú)立式運(yùn)動控制器？采用獨(dú)立式運(yùn)動控制器的這些設(shè)備有一個(gè)共同點(diǎn)就是需要控制的伺服電機(jī)的數(shù)量超過兩臺，并且電機(jī)之間需要有一定的配合動作關(guān)系，比如說聯(lián)動同步等要求，如果沒有這樣的要求，普通PLC就一樣可以適用。
另外，需要再進(jìn)一步說明的是專用運(yùn)動控制器和帶運(yùn)動控制功能PLC之間的幾點(diǎn)主要區(qū)別：
第一是編程的標(biāo)準(zhǔn)化區(qū)別。專用運(yùn)動控制器一般有自己較為獨(dú)立的編程環(huán)境，一般采用高級語言方式，如C、Basic等語言。帶運(yùn)動控制功能的PLC一般沿用IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)，采用功能塊或ST語言。
第二是對運(yùn)動控制編程的視角不同。專用運(yùn)動控制器采用的是以“軸”為視角和對象的編程思路，而PLC則為了與傳統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境相一致，以及為了讓原有用戶較為順暢的理解，一般采用的是以各類“運(yùn)動過程的功能塊”為載體，并不突出軸的特點(diǎn)，并且目前較大的幾家廠家聯(lián)合起來，推出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PLCOpen，里面大量描述的功能塊實(shí)際就是運(yùn)動控制相關(guān)的實(shí)現(xiàn)問題。從這兩種編程思路來看：第一種采用“軸”為對象的編程，控制可以非常靈活，軸的動作可以根據(jù)實(shí)際情況時(shí)刻做出調(diào)整，基本上沒有實(shí)現(xiàn)不了的場景；第二種以“運(yùn)動過程功能塊”為載體的編程，相對于第一種的編程，思路上較為傳統(tǒng)，比較符合傳統(tǒng)PLC用戶的編程習(xí)慣，但最大的缺陷就是靈活性不足，對某些復(fù)雜場景，沒有合適的功能塊能夠使用。
工控機(jī)加板卡的運(yùn)動控制系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于電子加工設(shè)備、激光切割設(shè)備等，這類設(shè)備有兩點(diǎn)重要的特征決定了目前的使用情況：第一是普遍需要采用視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)需要大量的計(jì)算，PC機(jī)有較多的資源可以使用。第二是圖形化排料制板的需要，這類設(shè)備需要經(jīng)常性的調(diào)整加工文件，根據(jù)不同的加工圖形文件來控制機(jī)器進(jìn)行加工處理，也就是說機(jī)器與操作人員之間要有較強(qiáng)的互動過程，用PC或工控機(jī)配合Windows系統(tǒng)可以較為方便的實(shí)現(xiàn)這些功能，這些原因決定了目前此類應(yīng)用絕大多數(shù)采用了工控機(jī)加板卡的運(yùn)動控制系統(tǒng)。但這種應(yīng)用也有隱憂，最主要的問題是系統(tǒng)穩(wěn)定性不足。造成這個(gè)問題的主要原因是因?yàn)镻C及工控機(jī)采用的是高功耗的CPU，在正常使用過程中，散熱始終會是一個(gè)較大的問題。如果機(jī)器設(shè)備本身的工作環(huán)境不好，同時(shí)又要求機(jī)器設(shè)備不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間較長，那么這個(gè)隱憂就會比較突出。相對于采用嵌入式低功耗CPU設(shè)計(jì)的獨(dú)立式運(yùn)動控制器來講，在這點(diǎn)上工控機(jī)毫無優(yōu)勢。但工控機(jī)也有其它優(yōu)勢：例如自身采用Windows平臺，系統(tǒng)資源豐富，有龐大的算法驗(yàn)證手段和開放性，這一點(diǎn)在機(jī)器人應(yīng)用中尤為突出。
3 運(yùn)動控制器發(fā)展的未來趨勢
最后，我們來談?wù)勥\(yùn)動控制器發(fā)展的未來趨勢。運(yùn)動控制器從本質(zhì)上講是一套系統(tǒng)開發(fā)平臺，應(yīng)用工程師在這個(gè)平臺上結(jié)合終端設(shè)備的工作工藝，編寫對應(yīng)的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的動作控制。經(jīng)過不斷的發(fā)展，未來的趨勢個(gè)人判斷主要有以下幾點(diǎn)：第一是開放性、靈活性、易用性并重；第二是網(wǎng)絡(luò)化程度日益加強(qiáng)；第三是可靠性要求不斷提高。開放性、靈活性、易用性是客戶接觸一套控制器的最基本評價(jià)。
開放性實(shí)際指的是系統(tǒng)要遵循較為通用的標(biāo)準(zhǔn)，比如IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)語言環(huán)境，對外接口采用通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議等。靈活性指的是系統(tǒng)要能適應(yīng)各種復(fù)雜工藝要求的能力，也就是只有用戶想不到的功能，而沒有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不了的功能。易用性主要指的是人機(jī)交互的友好性及簡便性，最極致的易用性當(dāng)然是指沒有接受過任何專業(yè)訓(xùn)練的人也可以快速掌握系統(tǒng)的開發(fā)。
開放性、靈活性、易用性這三個(gè)特性在實(shí)際使用過程中，往往會互相牽扯，甚至是有些矛盾的地方。例如：為了提高系統(tǒng)的靈活性，就要盡可能的將底層開放給用戶。但是底層開放的越多，涉及到的專業(yè)知識及內(nèi)核運(yùn)行機(jī)理就必然要盡可能的讓用戶了解掌握，這樣做的結(jié)果必然是導(dǎo)致易用性下降；由于易用性追求的是使用越簡單越好，這樣就要求系統(tǒng)盡可能多的進(jìn)行封裝，這樣自然又會限制了系統(tǒng)使用的靈活性。為了解決這些矛盾，一個(gè)好的運(yùn)動控制系統(tǒng)必須分出不同的層次：提供最初級的接口，這些接口一定是越簡單易用越好。同時(shí)根據(jù)客戶掌握了解的程度不同，分層提供不同定義的各類應(yīng)用接口以滿足靈活性的要求。做到這些，開放性、靈活性、易用性可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)的統(tǒng)一。
未來控制系統(tǒng)發(fā)展的最核心需求就是如何實(shí)現(xiàn)開放性、靈活性、易用性的統(tǒng)一。這其中最核心的問題是對動作控制的理解程度。傳統(tǒng)PLC廠家以動作過程為主要目標(biāo)，封裝各類標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊，但缺少靈活性。專業(yè)運(yùn)動控制器雖然有較好的靈活性，但其編程組態(tài)方式都是自成一派，沒有遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。更好的控制器應(yīng)該將二者進(jìn)行有機(jī)的融合。此外，開放性除了遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)之外，還需要有更為豐富的接口。傳統(tǒng)的控制器基本只是完成對伺服系統(tǒng)的控制，但隨著智能化發(fā)展的需求，越來越要求控制器能夠融合更多的系統(tǒng)功能，例如：對視覺系統(tǒng)的接入要求日益強(qiáng)烈。
和利時(shí)的MC系列運(yùn)動控制器正是按照這樣的思路研發(fā)的產(chǎn)品：編程既符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又具有專業(yè)運(yùn)動控制器廠家的靈活性，同時(shí)率先在業(yè)內(nèi)采用雙核處理器，為接入類似視覺系統(tǒng)留有了足夠的可開發(fā)空間。
網(wǎng)絡(luò)化主要指的是控制器與伺服驅(qū)動器之間的連接形式。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備采用的伺服數(shù)量有限，往往采用一對一直連的方式連接運(yùn)動控制器和伺服。直連方式最大的問題在于布線復(fù)雜，線纜使用量較大，同時(shí)傳輸信號極易受到各種干擾。為解決這些問題，各個(gè)伺服驅(qū)動廠家紛紛推出自己的高速總線用以連接伺服驅(qū)動器及運(yùn)動控制器，網(wǎng)絡(luò)化趨勢勢不可擋。采用高速總線后，運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器之間除了常規(guī)的控制命令及反饋信息傳遞外，還可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動器的各類參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜靈活的控制要求。但目前各家高速總線的標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，各個(gè)伺服廠家都各自推出自己專用的總線協(xié)議，比較流行的有EtherCAT、Power Link 、安川Mechatrolink、松下RTEX、三菱CC-Link等等，這些總線協(xié)議各有特點(diǎn)。總的來說，核心都是為了解決高速伺服控制過程中的高速數(shù)據(jù)傳輸，未來的發(fā)展一定是逐步走向融合統(tǒng)一的過程。目前總線協(xié)議廠家還在進(jìn)行較為充分的競爭，那么最終誰會勝出？個(gè)人認(rèn)為開放性好的、市場占有率高的廠家協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該有較大的機(jī)會；那些封閉的，自成體系的，不接納外圍廠家的各類協(xié)議，后續(xù)可能會被市場淘汰。
可靠性對于運(yùn)動控制器來說，同樣是一項(xiàng)基本核心要求。機(jī)器設(shè)備長期、穩(wěn)定的可靠運(yùn)行是所有用戶的最基本條件。僅從穩(wěn)定性這點(diǎn)上看，目前大量采用板卡及工控機(jī)的控制形式，未來應(yīng)會逐步被各類滿足功能要求的、同時(shí)具有低功耗、高穩(wěn)定性的專用控制器所替代。和利時(shí)專業(yè)做自動化控制將近25年，涉及行業(yè)從高鐵、電力、石化到機(jī)器控制，對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的理解和認(rèn)識是深入骨髓的。和利時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的MC系列運(yùn)動控制器，依然秉承并堅(jiān)持了這一理念和原則。
以上是對運(yùn)動控制系統(tǒng)，尤其是運(yùn)動控制器的總體概貌的分析和說明，其中必然有許多考慮不周的地方，做此總結(jié)是為了起到拋磚引玉的作用，希望更多的運(yùn)動控制專家能夠針對運(yùn)動控制領(lǐng)域不同的要點(diǎn)展開積極的討論，從而促使這個(gè)細(xì)分行業(yè)能夠快速發(fā)展，為我國裝備制造領(lǐng)域發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
摘自《自動化博覽》2015年11月增刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號