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運動控制范文1
關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動技術(shù)，直線電機，可編程計算機控制器，運動控制
1引言
信息時代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術(shù)革命。
隨著計算機技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進國家的機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業(yè)機器人、智能機器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個廠家相繼推出運動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)（FullClosedACServo）、直線電機驅(qū)動技術(shù)（LinearMotorDriving）、可編程序計算機控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和運動控制卡（MotionControllingBoard）等幾項具有代表性的新技術(shù)。
2全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)
在一些定位精度或動態(tài)響應(yīng)要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了先進的數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，在驅(qū)動器和電機之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負載變化，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設(shè)備的機械共振點，并通過陷波濾波方式消除機械共振。
一般情況下，這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環(huán)，也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度，應(yīng)在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統(tǒng)只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來完成（大多數(shù)全閉環(huán)的機床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng)，使得高精度自動化設(shè)備的實現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補償機械傳動件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅(qū)動器來完成，無需增加上位控制器的負擔(dān)，因而越來越多的行業(yè)在其自動化設(shè)備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。
3直線電機驅(qū)動技術(shù)
直線電機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起"直線電機熱"。
在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。
1.高速響應(yīng)由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。
2.精度直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。
3.動剛度高由于"直接驅(qū)動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。
4.速度快、加減速過程短由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度（要求達60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。
5.行程長度不受限制在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。
6.運動動安靜、噪音低由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。
7.效率高由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動效率大大提高。
直線傳動電機的發(fā)展也越來越快，在運動控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運動控制相對發(fā)達的國家已開始推廣使用相應(yīng)的產(chǎn)品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直線電機和SERVOSTARCD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動態(tài)響應(yīng)速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動；德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應(yīng)用直線電機。
4可編程計算機控制器技術(shù)
自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）問世以來，PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，它已在軟硬件技術(shù)方面遠遠走出了當(dāng)初的"順序控制"的雛形階段。可編程計算機控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。
與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導(dǎo)致了PLC的"控制速度"依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題，它采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運行平臺，這樣應(yīng)用程序的運行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應(yīng)用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實時控制的要求。當(dāng)然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，給工程項目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求，如運動控制、數(shù)據(jù)采集、報警、PID調(diào)節(jié)運算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)），這些模塊既獨立運行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運行，共同實現(xiàn)項目的控制要求。
PCC在工業(yè)控制中強大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計算機及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流，雖然這還是一項較為年輕的技術(shù)，但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
5運動控制卡
運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因為：（1）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設(shè)備（如包裝機械、印刷機械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；（3）PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責(zé)人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等）。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運動控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動化的各個領(lǐng)域。
這種運動控制模式在國外自動化設(shè)備的控制系統(tǒng)中比較流行，運動控制卡也形成了一個獨立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運動控制卡。在國內(nèi)相應(yīng)的產(chǎn)品也已出現(xiàn)，如成都步進機電有限公司的DMC300系列卡已成功地應(yīng)用于數(shù)控打孔機、汽車部件性能試驗臺等多種自動化設(shè)備上。
運動控制范文2
通過對“運動控制”課程設(shè)計教學(xué)的研究與實踐，提出了交流電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計的新方法。將矢量控制的理論模型與變頻器實際的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進行對比分析，研究變頻器的矢量控制和工藝流程PID控制器所包含模塊的參數(shù)設(shè)置，綜合運用現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信與PLC編程技術(shù)、人機界面與組態(tài)軟件技術(shù)，完成具有實際工程背景的課程設(shè)計。豐富了運動控制課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容，促進了學(xué)生的理論知識與現(xiàn)代工程技術(shù)密切結(jié)合。
關(guān)鍵詞:
課程設(shè)計;交流調(diào)速系統(tǒng);矢量控制;變頻器
“運動控制系統(tǒng)”教學(xué)容易出現(xiàn)重視理論分析和傳統(tǒng)教學(xué)實驗，輕視實際控制系統(tǒng)中先進技術(shù)應(yīng)用的分析;“運動控制課程設(shè)計”又經(jīng)常成為理論上的設(shè)計，或控制系統(tǒng)理論模型的仿真驗證。受實踐教學(xué)環(huán)境限制，選題一般是雙閉環(huán)模擬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試，或是數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真。交流調(diào)速課程設(shè)計一般是基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的SPWM變頻技術(shù)、V/f協(xié)調(diào)控制方式、單閉環(huán)無靜差數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真;變頻電源硬件電路包括三相電壓源型變頻電源主電路、保護電路、單片機的檢測、控制電路和驅(qū)動電路設(shè)計。從開關(guān)器件、控制電路的參數(shù)計算到軟件的設(shè)計編程，內(nèi)容豐富、時間緊湊。雖然對系統(tǒng)的整體設(shè)計訓(xùn)練有很大幫助，但與實際工程應(yīng)用現(xiàn)狀差距很大。提高變頻電源的效率在硬件電路上要求盡可能提高功率器件的開關(guān)頻率、采用軟開關(guān)技術(shù)、完善的功率器件驅(qū)動電路和緩沖電路的設(shè)計;軟件上還得考慮改進正弦調(diào)制波等［1－2］。而兩周的課程設(shè)計時間要完成類似這種交流調(diào)速系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，更進一步從變頻電源到采用矢量控制理論的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真，會有很大難度。考慮到無論采用什么數(shù)學(xué)模型處理交流電動機變頻調(diào)速問題，變頻電源硬件電路基本上是一樣的或是通用的。因此可以考慮在“電力電子技術(shù)”課程中布置大作業(yè)或開設(shè)“電力電子技術(shù)課程設(shè)計”，完成數(shù)字交、直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的交流電動機矢量控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在中、高檔變頻器中得到廣泛應(yīng)用。因此課程設(shè)計的選題應(yīng)該覆蓋矢量控制技術(shù)，采取有效措施加強理論教學(xué)和實際工程先進技術(shù)應(yīng)用的結(jié)合。深刻理解矢量控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用;如何利用變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng);如何采用工業(yè)現(xiàn)場總線、PLC，將變頻器集成在大型復(fù)雜控制系統(tǒng)中。為此實驗室做了“運動控制課程設(shè)計”的教學(xué)改革研究，并設(shè)計了異步電動機協(xié)調(diào)控制的綜合實驗平臺。
1矢量控制數(shù)學(xué)模型
交流調(diào)速的教學(xué)往往是數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多、仿真也僅限于課堂教學(xué)演示。學(xué)生缺少相關(guān)的訓(xùn)練，對電機數(shù)學(xué)模型及各種控制方法難以理解，更不清楚矢量控制理論在實際系統(tǒng)中如何實現(xiàn)［3－4］。所以課程設(shè)計開始要引導(dǎo)學(xué)生對教材中各種矢量控制系統(tǒng)模型特點進行分析總結(jié)，并對西門子MM440變頻器的各種控制結(jié)構(gòu)圖［5］進行對比分析，找出理論上與實際交流調(diào)速系統(tǒng)最接近的控制模型，深刻理解矢量控制技術(shù)在實際系統(tǒng)中如何具體實現(xiàn)。相關(guān)文獻［6－8］有多種矢量控制理論的異步電動機控制模型。按照轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)、根據(jù)其對磁鏈處理方法不同又分為間接矢量控制系統(tǒng)和直接矢量控制系統(tǒng)，后者模型一般包括速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器，甚至包括三相電流調(diào)節(jié)器。其中，逆變器采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的異步電動機直接矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)與實際變頻器中的矢量控制模型比較接近。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖都設(shè)置了轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個閉環(huán)子系統(tǒng)，但實際系統(tǒng)沒有設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，而是通過勵磁電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)解耦控制。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速獲取方法不同又分為不帶編碼器(SLVC)的和帶編碼器(VC)的矢量控制模型;兩個模型根據(jù)控制系統(tǒng)給定值不同，又都具有轉(zhuǎn)速控制及轉(zhuǎn)矩控制兩種方式。但這里的轉(zhuǎn)矩控制是指變頻器的控制方式，區(qū)別于理論上同樣基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。圖2中速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器及關(guān)于轉(zhuǎn)子磁場定向角辨識的3個模塊都含有可設(shè)定參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運行可以精確調(diào)試，或者采用變頻器默認參數(shù)值。磁鏈閉環(huán)子系統(tǒng)的不同是實際系統(tǒng)與理論模型的主要差別:磁鏈子系統(tǒng)中磁化曲線模塊的輸出，作為勵磁電流調(diào)節(jié)器的給定值。因此實際操作中，預(yù)先通過變頻器參數(shù)設(shè)定環(huán)節(jié)測量電動機的磁化曲線顯得非常重要。通過模型分析，學(xué)生不僅深入了解矢量控制理論在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，而且容易理解變頻器有關(guān)矢量控制參數(shù)的物理意義以及設(shè)置。
2工業(yè)過程閉環(huán)控制
西門子MM440矢量變頻器的控制方式按照電動機的數(shù)學(xué)模型可以分為兩大類:基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的V/f特性控制和基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的矢量控制［9］。前者又細分為V/f線性的、帶有電壓提升的、滑差補償?shù)膸追N方式，但都是電機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制;而后者是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。為了滿足實際控制系統(tǒng)的要求，變頻器提供了工藝流程PID控制器。以節(jié)能為主要目的的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)一般只需要平滑調(diào)速，對動態(tài)性能要求不高，適合采用V/f特性控制方式，如變頻供水和通風(fēng)系統(tǒng)。課程設(shè)計題目要求學(xué)生設(shè)計由PLC、變頻器和兩臺電機組成的“一拖多”變頻供水系統(tǒng)。完成從變頻器的控制方式、閉環(huán)控制系統(tǒng)的給定、反饋通道和反饋信號等變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置，到PLC的簡單控制程序。熟悉系統(tǒng)的PID控制器默認參數(shù)及調(diào)節(jié)范圍，并在最后實驗過程中運行調(diào)試。硬件電路包括接觸器、PLC的控制電路，還有從實驗平臺數(shù)字電壓表箱取出負載發(fā)電機輸出電壓信號，模擬供水壓力反饋信號給變頻器的模擬輸入端子。
3工業(yè)現(xiàn)場總線
現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)很少是單臺變頻器(電機)運行，往往是數(shù)臺變頻器協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)中還有各種數(shù)據(jù)采集及其他智能終端設(shè)備。矢量變頻器在復(fù)雜系統(tǒng)中僅僅是一個高智能的電機驅(qū)動器，依靠其擴展通訊模塊集成到工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中。課程設(shè)計典型題目—多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，要求學(xué)生設(shè)計卷繞機械裝置驅(qū)動控制系統(tǒng)。這里不僅要控制卷材的張力還要協(xié)調(diào)兩臺電機的運行速度［10］，兩臺電機分別采用轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制。變頻器適合采用無脈沖編碼器的矢量控制(SLVC)方式。SLVC的控制性能取決于變頻器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置以及電動機數(shù)據(jù)測量的精度，因此，系統(tǒng)調(diào)試前必須用變頻器對電動機所有參數(shù)進行自動檢測。主、從電動機協(xié)調(diào)控制實驗平臺采用低成本的集成方式。采用西門子PLC200SMART可編程控制器和兩臺MM440變頻器，通訊采用485總線、USS通訊協(xié)議，因此不需要額外的現(xiàn)場總線通訊模塊。PLC200作為主站控制變頻器，按照系統(tǒng)的設(shè)計要求設(shè)置變頻器的控制參數(shù)，控制電動機的啟動、停止，控制方式的切換，運行速度的協(xié)調(diào)等;并采集每臺電動機的運行數(shù)據(jù)傳送到工作站。除了交流調(diào)速系統(tǒng)外，典型的直流電機雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)、機器人［11－12］及車輛控制等作為課程設(shè)計題目具有豐富的研究內(nèi)容，所以要不斷地為學(xué)生創(chuàng)造相應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)境。
4結(jié)語
“運動控制”課程設(shè)計的教學(xué)過程具有綜合性、實踐性和創(chuàng)新性的特點，課程設(shè)計過程要啟發(fā)學(xué)生以掌握的理論知識去分析先進工程技術(shù)實際模型。這里特別要注重矢量控制結(jié)構(gòu)圖中理論與實際的差距，掌握變頻器參數(shù)設(shè)置及工藝流程PID控制器的應(yīng)用，以及現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)、人機界面與組態(tài)軟件技術(shù)的綜合應(yīng)用。
作者：徐江寧 單位：大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部
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運動控制范文3
關(guān)鍵詞：運動控制系統(tǒng)；課程建設(shè)；教學(xué)方法；4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺
作者簡介：雷美珍（1980-），女，浙江麗水人，浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，講師；任佳（1977-），女，山西太原人，浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，副教授。（浙江 杭州 310018）
基金項目：本文系浙江理工大學(xué)“嵌入式運動控制系統(tǒng)”系列課程建設(shè)、“運動控制系統(tǒng)”4A精品網(wǎng)絡(luò)課程的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）25-0124-02
“運動控制系統(tǒng)”課程是以交直流電動機為控制對象，利用電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)和自動控制原理等知識來實現(xiàn)對拖動系統(tǒng)的控制，具有知識面寬、綜合性和實踐性強的特點，如何改革和建設(shè)該課程顯得十分必要。[1]該課程體系內(nèi)容主要包括直流拖動控制系統(tǒng)、交流調(diào)速控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)三大塊，其理論與方法可在數(shù)控加工、鋼材軋制、物料輸送及機器人運動等多個行業(yè)、領(lǐng)域應(yīng)用，是一類充分體現(xiàn)專業(yè)辦學(xué)特色的課程，即“強弱電結(jié)合、電力與電子技術(shù)結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合”的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生不僅具備從事運動控制系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和運行的能力，而且能夠根據(jù)不同的控制對象及要求，選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單元部件和控制規(guī)律。[2]
“運動控制系統(tǒng)”課程的傳統(tǒng)教學(xué)一般按照教材內(nèi)容，從理論上對運動控制系統(tǒng)進行分析，實驗學(xué)時也是非常有限，如浙江理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）“運動控制系統(tǒng)”課程總共48學(xué)時，實驗學(xué)時僅6學(xué)時。學(xué)生在有限的課堂教學(xué)里很難掌握到各種因素變化給運動控制系統(tǒng)帶來的具體影響；在真實的實驗環(huán)境下，也很難重現(xiàn)各種錯誤設(shè)計和故障過程，[3]因而教學(xué)效果和質(zhì)量很難提高，有必要進行重點改革與建設(shè)。本文結(jié)合運動控制系統(tǒng)重點課程建設(shè)和精品網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，就教學(xué)體系、課堂教學(xué)、實踐教學(xué)、考核方式及網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)等方面進行了一系列的優(yōu)化與改革，實踐證明了該課程建設(shè)與改革提高了教學(xué)質(zhì)量，受到學(xué)生好評。
一、課程體系優(yōu)化
按照電氣工程及其自動化專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱的要求，進行“運動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使課程內(nèi)容既能充分展示本課程的核心領(lǐng)域知識，又能反映該領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展，體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展方向。在強調(diào)理論教學(xué)的同時，更加注重實踐性環(huán)節(jié)的建設(shè)，新增技能操作、仿真訓(xùn)練、綜合應(yīng)用等實驗實訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力。“運動控制系統(tǒng)”課程優(yōu)化后的課程體系如圖1所示。
由于專業(yè)學(xué)時的壓縮，“運動控制系統(tǒng)”課程總學(xué)時從原來的96學(xué)時減到現(xiàn)在48學(xué)時，但課程內(nèi)容并沒有減少，因此必須對教學(xué)內(nèi)容進行更新和選擇，使教學(xué)和先進運動控制技術(shù)發(fā)展同步。課程教學(xué)內(nèi)容要淘汰或淡化落后的調(diào)速方式：例如在直流調(diào)速系統(tǒng)中的有環(huán)流晶閘管可逆調(diào)速系統(tǒng)；在交流調(diào)速系統(tǒng)中，交流調(diào)壓調(diào)速方式只做簡要介紹。另外需要適當(dāng)補充新型調(diào)速方式內(nèi)容：異步電動機矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及永磁同步電動機的矢量控制等。
二、課堂教學(xué)改革
由于“運動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容多，課時相對較少，目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式以“滿堂灌”為主，從而造成學(xué)生養(yǎng)成依賴心理，學(xué)習(xí)主動性和積極性不高。根據(jù)該課程的特點，進行課堂教學(xué)改革，主要有以下幾個方面：
1.采用案例式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法
在講解新內(nèi)容時，教師可以提前準備好典型應(yīng)用實例，然后有針對性地提出問題，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識進行分組討論，分析和解決問題，然后得出結(jié)論，最后由教師加以補充總結(jié)。該教學(xué)方法的改革增強了師生之間的互動性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
2.自制實驗設(shè)備進課堂
以“基于單片機的電瓶車調(diào)速器設(shè)計”為項目案例。首先讓學(xué)生了解一下電瓶車的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后將實際系統(tǒng)包括有刷直流電機或無刷直流電機、功率主電路、電源電路、單片機控制電路等將實驗板直接在課堂進行演示。學(xué)生能接觸到實際系統(tǒng)，有很好的感性認識，就會產(chǎn)生很高的積極性。最后開始講解該系統(tǒng)設(shè)計總體框架和思路，可將系統(tǒng)分解為硬件部分和軟件部分來講解。自制實驗板如圖2所示。
3.采用軟件仿真技術(shù)
由于硬件資源有限，而課程內(nèi)容全面，無法一一進行實驗，采用軟件仿真技術(shù)（如Matlab軟件）輔助課堂教學(xué)，運動控制系統(tǒng)的建模可參考文獻。[4]該方法不僅驗證了書本上的結(jié)論，還使學(xué)生掌握了參數(shù)或環(huán)節(jié)變化對運動控制系統(tǒng)運行的影響。
三、實驗教學(xué)創(chuàng)新
目前，我校“運動控制系統(tǒng)”課程只能設(shè)置2個實驗，直流拖動控制系統(tǒng)實驗與交流拖動控制系統(tǒng)實驗， 實驗類型以驗證性為主，并且要在規(guī)定的時間內(nèi)在固定的實驗臺上完成。學(xué)生往往對按規(guī)定程序操作的指定性實驗不感興趣。即使學(xué)生有一些新想法也很難進行驗證，這顯然不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[5]為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量和加強學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，本課程建設(shè)團隊在實驗教學(xué)中進行了改革和創(chuàng)新。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，開發(fā)設(shè)計性、綜合性實驗，虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)的物理實驗相結(jié)合，優(yōu)勢互補。具體有以下幾個方面：
第一，本課程團隊先修訂實驗指導(dǎo)書，開發(fā)了雙閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、SPWM變頻器設(shè)計和機器人運動控制系統(tǒng)等設(shè)計性及綜合性實驗，提高了學(xué)生的動手能力與科研素質(zhì)。
第二，利用MATLAB/simulink中的電力系統(tǒng)工具箱搭建典型的運動控制系統(tǒng)，設(shè)計各種仿真模型，開發(fā)了電流截止負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)、SVPWM交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)等創(chuàng)新型虛擬仿真實驗，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的simulink仿真模型，利用該模型學(xué)生可以分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動性能、系統(tǒng)突加減變負載運行工況下的速度、電流及轉(zhuǎn)矩變化情況以及系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓等各種擾動下的速度響應(yīng)。
第三，教師分層次進行實驗項目設(shè)計，[6]即針對學(xué)生基礎(chǔ)、能力層次的不同，在實驗設(shè)計與實踐方面對學(xué)生也要有不同的要求。對于具有較好專業(yè)基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力和主動性的學(xué)生，可在教師的指導(dǎo)下設(shè)計實驗項目方案，一般選2人一組，分別設(shè)計硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。包括控制電路、功率主電路、信號檢測電路、驅(qū)動電路、保護電路和軟件控制算法，實驗室應(yīng)為學(xué)生提供主要電子元器件及開發(fā)調(diào)試環(huán)境。實驗控制方案可以超越實驗平臺控制方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合專業(yè)素質(zhì)。
第四，增加開放性實驗室，實現(xiàn)部分優(yōu)秀學(xué)生進實驗室鍛煉并參與科研。在開放性實驗室里，學(xué)生可以焊接并調(diào)試硬件電路板，編寫并調(diào)試運動控制程序，開展運動控制系統(tǒng)帶負載實驗等。
四、考核方法改革
課程建設(shè)和改革不僅要有知識的更新，也要有科學(xué)的考核方式。傳統(tǒng)的以期末“一考定成績”的評價方式，在很大程度上制約教育質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，不利于素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的順利開展。為此根據(jù)“運動控制系統(tǒng)”課程的性質(zhì)和特點，本團隊進行了課程考核方式改革。具體分以下幾個方面：
第一，選用課程體系的核心內(nèi)容，采用體現(xiàn)創(chuàng)新特點的考試題型，開發(fā)“運動控制系統(tǒng)”課程的試題庫，期末考試題將從試題庫中隨機抽取。
第二，注重對學(xué)生平時學(xué)習(xí)狀況與效果的考查，其中課后作業(yè)、仿真大作業(yè)、自制電路板等均計入期末總成績。
第三，實驗環(huán)節(jié)單獨考核，注重對實驗基本原理、操作步驟及實驗結(jié)果分析的考核。
第四，“運動控制系統(tǒng)”課程相關(guān)的科技論文和專利等均可進行學(xué)術(shù)創(chuàng)新加分，鼓勵學(xué)生進行學(xué)術(shù)研究，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。
五、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺建設(shè)
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺能存儲、處理、傳遞教育信息，既是承載數(shù)字課程資源的載體，也成為教師進行教學(xué)改革提高教學(xué)質(zhì)量的途徑與基礎(chǔ)。本團隊將4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺引入“運動控制系統(tǒng)”課程建設(shè)，實施混合式教學(xué)。4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提供了包括答疑、討論、課程作業(yè)等多種師生互動方式，通過這些方式，教師可以展開對學(xué)生的學(xué)習(xí)指導(dǎo)、答疑、批改作業(yè)及討論交流等教學(xué)活動的互動。通過4A網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可以及時解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題，為師生互動提供便捷途徑。通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)，將課程的前沿文獻、電機控制程序、功率驅(qū)動芯片資料、TI官方文檔等重要的資源放到網(wǎng)絡(luò)平臺上進行共享，有利于拓寬學(xué)生的知識面。
六、總結(jié)
根據(jù)“運動控制系統(tǒng)”課程的性質(zhì)和特點，進行重點建設(shè)和改革，對課程體系進行了優(yōu)化，對課堂理論教學(xué)、實驗教學(xué)及考核方式進行了改革，并對4A網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)字化資源進行建設(shè)和擴展。教學(xué)實踐證明，本團隊進行的一系列教學(xué)模式改革和課程建設(shè)獲得了較好的教學(xué)效果，對于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實踐動手能力都有很大的幫助，特別是自制實驗板進課堂和仿真輔助教學(xué)等教學(xué)模式值得推廣。
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運動控制范文4
關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動技術(shù)，直線電機，可編程計算機控制器，運動控制
1引言
信息時代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機械工業(yè)，在這場新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機械裝置和動力設(shè)備相結(jié)合，促使機械工業(yè)開始了一場大規(guī)模的機電一體化技術(shù)革命。
隨著計算機技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進國家的機電一體化產(chǎn)品層出不窮。機床、汽車、儀表、家用電器、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、冶金機械、化工機械以及工業(yè)機器人、智能機器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進展。機電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個廠家相繼推出運動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文主要介紹了全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)（FullClosedACServo）、直線電機驅(qū)動技術(shù)（LinearMotorDriving）、可編程序計算機控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和運動控制卡（MotionControllingBoard）等幾項具有代表性的新技術(shù)。
2全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)
在一些定位精度或動態(tài)響應(yīng)要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了先進的數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，在驅(qū)動器和電機之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮DSP的高速運算能力，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負載變化，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換（FFT）的功能，測算出設(shè)備的機械共振點，并通過陷波濾波方式消除機械共振。
一般情況下，這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環(huán)，也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度，應(yīng)在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統(tǒng)只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來完成（大多數(shù)全閉環(huán)的機床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng)，使得高精度自動化設(shè)備的實現(xiàn)更為容易。其控制原理如圖1所示。
該系統(tǒng)克服了上述半閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷，伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠間隙等），補償機械傳動件的制造誤差（如絲杠螺距誤差等），實現(xiàn)真正的全閉環(huán)位置控制功能，獲得較高的定位精度。而且這種全閉環(huán)控制均由伺服驅(qū)動器來完成，無需增加上位控制器的負擔(dān)，因而越來越多的行業(yè)在其自動化設(shè)備的改造和研制中，開始采用這種伺服系統(tǒng)。
3直線電機驅(qū)動技術(shù)
直線電機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，近幾年來已在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起"直線電機熱"。
在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅(qū)動與原旋轉(zhuǎn)電機傳動的最大區(qū)別是取消了從電機到工作臺（拖板）之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零，因而這種傳動方式又被稱為"零傳動"。正是由于這種"零傳動"方式，帶來了原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。
1.高速響應(yīng)由于系統(tǒng)中直接取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件（如絲杠等），使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，反應(yīng)異常靈敏快捷。
2.精度直線驅(qū)動系統(tǒng)取消了由于絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制，即可大大提高機床的定位精度。
3.動剛度高由于"直接驅(qū)動"，避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時也提高了其傳動剛度。
4.速度快、加減速過程短由于直線電動機最早主要用于磁懸浮列車（時速可達500Km/h），所以用在機床進給驅(qū)動中，要滿足其超高速切削的最大進個速度（要求達60～100M/min或更高）當(dāng)然是沒有問題的。也由于上述"零傳動"的高速響應(yīng)性，使其加減速過程大大縮短。以實現(xiàn)起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。可獲得較高的加速度，一般可達2～10g（g=9.8m/s2），而滾珠絲杠傳動的最大加速度一般只有0.1～0.5g。5.行程長度不受限制在導(dǎo)軌上通過串聯(lián)直線電機，就可以無限延長其行程長度。
6.運動動安靜、噪音低由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦，且導(dǎo)軌又可采用滾動導(dǎo)軌或磁墊懸浮導(dǎo)軌（無機械接觸），其運動時噪音將大大降低。
7.效率高由于無中間傳動環(huán)節(jié)，消除了機械摩擦?xí)r的能量損耗，傳動效率大大提高。
直線傳動電機的發(fā)展也越來越快，在運動控制行業(yè)中倍受重視。在國外工業(yè)運動控制相對發(fā)達的國家已開始推廣使用相應(yīng)的產(chǎn)品，其中美國科爾摩根公司（Kollmorgen）的PLATINNMDDL系列直線電機和SERVOSTARCD系列數(shù)字伺服放大器構(gòu)成一種典型的直線永磁伺服系統(tǒng)，它能提供很高的動態(tài)響應(yīng)速度和加速度、極高的剛度、較高的定位精度和平滑的無差運動；德國西門子公司、日本三井精機公司、臺灣上銀科技公司等也開始在其產(chǎn)品中應(yīng)用直線電機。
4可編程計算機控制器技術(shù)
自20世紀60年代末美國第一臺可編程序控制器（ProgrammingLogicalController，PLC）問世以來，PLC控制技術(shù)已走過了30年的發(fā)展歷程，尤其是隨著近代計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，它已在軟硬件技術(shù)方面遠遠走出了當(dāng)初的"順序控制"的雛形階段。可編程計算機控制器（PCC）就是代表這一發(fā)展趨勢的新一代可編程控制器。
與傳統(tǒng)的PLC相比較，PCC最大的特點在于它類似于大型計算機的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計。傳統(tǒng)的PLC大多采用單任務(wù)的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣處理方式直接導(dǎo)致了PLC的"控制速度"依賴于應(yīng)用程序的大小，這一結(jié)果無疑是同I/O通道中高實時性的控制要求相違背的。PCC的系統(tǒng)軟件完美地解決了這一問題，它采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運行平臺，這樣應(yīng)用程序的運行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應(yīng)用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實時控制的要求。當(dāng)然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改。
基于這樣的操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序由多任務(wù)模塊構(gòu)成，給工程項目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來很大的便利。因為這樣可以方便地按照控制項目中各部分不同的功能要求，如運動控制、數(shù)據(jù)采集、報警、PID調(diào)節(jié)運算、通信控制等，分別編制出控制程序模塊（任務(wù)），這些模塊既獨立運行，數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，這些模塊經(jīng)過分步驟的獨立編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的CPU中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運行，共同實現(xiàn)項目的控制要求。
PCC在工業(yè)控制中強大的功能優(yōu)勢，體現(xiàn)了可編程控制器與工業(yè)控制計算機及DCS（分布式工業(yè)控制系統(tǒng)）技術(shù)互相融合的發(fā)展潮流，雖然這還是一項較為年輕的技術(shù)，但在其越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中，它正日益顯示出不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
5運動控制卡
運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。它的出現(xiàn)主要是因為：（1）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設(shè)備（如包裝機械、印刷機械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；（3）PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。
運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責(zé)人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等）。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運動控制卡能夠廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)中設(shè)備自動化的各個領(lǐng)域。
這種運動控制模式在國外自動化設(shè)備的控制系統(tǒng)中比較流行，運動控制卡也形成了一個獨立的專門行業(yè)，具有代表性的產(chǎn)品有美國的PMAC、PARKER等運動控制卡。在國內(nèi)相應(yīng)的產(chǎn)品也已出現(xiàn)，如成都步進機電有限公司的DMC300系列卡已成功地應(yīng)用于數(shù)控打孔機、汽車部件性能試驗臺等多種自動化設(shè)備上。
運動控制范文5
關(guān)鍵字 開放式；數(shù)控系統(tǒng)；運動控制卡；制碼系統(tǒng)
中圖分類號TP2 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）101-0210-02
0引言
運動控制是根據(jù)上位數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的命令來控制電機運動的方法，在數(shù)控系統(tǒng)中占據(jù)重要的位置。目前，國外有關(guān)運動控制方面的技術(shù)研究已經(jīng)比較成熟。
相對而言，我國在運動控制領(lǐng)域的研究起步較晚，在穩(wěn)定性、可靠性和實用性方面都仍存在問題。開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)主要是在小零件上制作標記的加工過程，對速度要求高、位置要求準確。根據(jù)中國國情，為開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)開發(fā)一款成本低廉、功能完備穩(wěn)定、效果良好的運動控制卡是十分可行和必要的。
1 開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)的組成
開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)分軟件系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)兩部分。軟件系統(tǒng)就是安裝在PC主機上控制開放式數(shù)控制碼機運作的程序；硬件部分主要由負責(zé)人機操作的PC電腦主機、PCI光電隔離運動控制卡、硬件驅(qū)動器和開放式數(shù)控制碼機四部分組成，如圖1。
如圖2為給零件加工制碼的整個流程，先由PC機上的開放式制碼系統(tǒng)發(fā)出制碼指令，指令通過PCI光隔卡轉(zhuǎn)換成高低電平信號，硬件驅(qū)動器再將高低電平信號的電壓放大，最后驅(qū)動制碼機中的三個步進電機進行加工制碼。
整個制碼過程中，系統(tǒng)的運行性能及控制精度都與PCI光電隔離運動控制卡的設(shè)計息息相關(guān)。因此，開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵就是PCI光電隔離運動控制卡的改造設(shè)計 。
PCI光隔運動控制卡的主要功能是負責(zé)制碼機與PC機之間的數(shù)據(jù)通信，將PC機中的輸入輸出信號以高低電平的方式進行傳輸，該卡是嵌入于PC機的主板上聯(lián)合運作的。
硬件驅(qū)動器主要負責(zé)是將PCI光隔卡輸出的高低電平信號放大，足以驅(qū)動制碼機運轉(zhuǎn)，主要包括穩(wěn)壓器、放大電路等。開放式數(shù)控制碼機里包含三相六拍的步進電機三個，分別用來控制制碼機的刀架轉(zhuǎn)動、刀架上下移動和被加工零件架的轉(zhuǎn)動。
2 運動控制卡
開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)中的運動控制卡采用了宏拓PCI-7505光隔16路輸入/16路輸出開關(guān)量板。
PCI-7505板主要有TTL電平輸出和功率輸出兩種方式，輸出端最大功率可驅(qū)動24V/200mA或12V/200mA負載，采用光隔離技術(shù)，實現(xiàn)16路開關(guān)量獨立輸出。PCI-7505光隔卡采用的是共地方式，不需要外接電源，由于應(yīng)用光電隔離技術(shù)，各輸入輸出開關(guān)量相互獨立，從而實現(xiàn)16路電壓型開關(guān)量的并行輸入，所以在光隔板上的光耦器件焊接上合適的限流電阻，使其輸入電流維持在4mA左右，便能適應(yīng)不同電壓的開關(guān)量輸入。
PCI-7505包括開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、PCI-ISA總線轉(zhuǎn)換橋電路和地址譯碼及數(shù)據(jù)鎖存四大功能模塊，如圖3所示。光電隔離芯片采用的是電流方式工作，電流務(wù)必保持4mA左右，因此，在電流不變的前提下，改變限流電阻的阻值，便可改變開關(guān)量輸入信號電壓。信號值“1”表示高電壓信號，信號值“0”表示低電壓信號。
首先，利用PCI光電隔離卡來控制制碼機運作，需要的是TTL電平輸出方式，通過高低電平信號的變換來實現(xiàn)對步進電機的控制。
再則，現(xiàn)使用的制碼機中是36伏的穩(wěn)壓電源；PC中的制碼控制程序發(fā)出高電平輸出信號，經(jīng)PCI光隔卡輸出10V電壓，再進入驅(qū)動器，經(jīng)放大電路放大到36V，帶動制碼機制碼。PCI光隔卡采用TTL電平輸出方式時，其輸出電壓為5V，要使其進入驅(qū)動器的電壓達到10V，則需對PCI光電隔離運動控制卡進行改造設(shè)計。
3 運動控制卡的改造設(shè)計
3.1 實現(xiàn)TTL電平輸出
宏拓PCI-7505光隔卡出廠時默認為功率輸出方式，而我們開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)中需要的是TTL電平輸出方式，所以首先需要將PCI光隔卡改造為TTL電平輸出方式。
具體方法是將功率驅(qū)動芯片MC1416卸下，將其插座上除8，9腳之外的所有輸入輸出腳用短路線端短接，如圖4中各腳之間的短接示意圖。然后將PCI板卡上其它二塊相同的功率驅(qū)動芯片，都采用圖4中相同的方法短接改造。
這樣改造之后，可使光隔離輸出的信號直接送到XS1輸出端，來實現(xiàn)TTL電平輸出。
3.2 實現(xiàn)放大驅(qū)動器電壓的方法
PCI-7505卡輸入輸出信號的傳送都采用光電隔離技術(shù)，經(jīng)過多次嘗試和試驗操作測試，可以將一個30k的上拉電阻焊接在短接的MC1416各端（除8，9腳）與外接電源端之間，通過焊接的30K上拉電阻來增大輸出電阻，從而使輸出電壓由5V放大到10V。
經(jīng)過焊接上拉電阻的方法改造之后，外接36V電壓的PCI光隔卡，會產(chǎn)生大于1mA的電流，經(jīng)改造過的PCI卡中的光偶器件可輸出10V電壓，再通過硬件驅(qū)動器進行放大，從而驅(qū)動開放式數(shù)控制碼機運作。
4 實驗結(jié)果
在開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)運行的一年中，零件制碼加工運作完全正常，成功率達95%，速度和精度的要求都完全合格，下位機中各種故障及突發(fā)事件的發(fā)生，也能即時通過此次改造的運動控制卡將信號傳遞回上位機。
此次運動控制卡的改造設(shè)計，不但能很好的應(yīng)用于開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)中，而且還大大降低了成本，實現(xiàn)了一個經(jīng)濟型的開放式數(shù)控制碼系統(tǒng)，具有較高的實用價值。
參考文獻
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運動控制范文6
引言
運動控制技術(shù)在工業(yè)、辦公和家庭等自動化方面的應(yīng)用日益廣泛，控制形式也由以機械提供動力驅(qū)動的簡單啟停控制，發(fā)展到對其位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等的精確控制。原先的“電機拖動”、“電氣傳動”已經(jīng)發(fā)展到“運動控制”的新階段。
運動控制芯片
PCI總線是一種先進的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可以同時支持多組設(shè)備。實現(xiàn)PCI總線接口的方法主要有兩種：一是采用CPLD或FPGA設(shè)計PCI接口，這種方法比較靈活，但是其難度較大，設(shè)計周期也較長。二是采用專用的PCI接口芯片，可以大大減少設(shè)計者的工作量，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本運動控制卡采用PLX公司的PCI9052接口芯片進行設(shè)計，該芯片符合PCI2.1規(guī)范。
與ISA總線相比，PCI總線支持三個物理空間：存儲器地址空間、I／O地址空間和配置空間。配置空間是PCI特有的一個空間，所有的PCI設(shè)備都必須提供配置空間。PCI9052包含一個用于加載配置信息的串行EEPROM接口，用于裝載一個特定適配設(shè)備信息。串行EEPROM中存儲了PCI9052的重要的配置信息，如設(shè)備號、制造商號、設(shè)備類型號、局部空間基地址以及局部空間描述符等信息。PCI9052對EEPROM型號的要求是比較嚴格的，可以使用的包括HolTek的HT93LC46，MicroChip的93LC46B等。
在ISA模式下，EEPROM的使用是必需的，為使PCI9052正常工作在ISA模式下，首先應(yīng)確保EEPEOM能被找到，并且將PCI9052的第68管腳接低電平。EEPROM的內(nèi)容非常重要，它直接關(guān)系到整個板卡能否正常工作，在設(shè)計時要特別注意。
運動控制芯片
傳統(tǒng)的運動控制器多采用嵌入式高性能單片機或DSP來實現(xiàn)，但系統(tǒng)集成度不夠高，電路復(fù)雜，且軟、硬件研制周期長。采用專用運動控制器可以提高系統(tǒng)集成度、插補速度及可靠性，同時簡化電路，縮短開發(fā)周期。
目前市場上有多種運動控制器，如美國的PMD公司以及日本的NOVA、KYOPAL、SEEK公司的產(chǎn)品。本設(shè)計采用NOVA公司的MCX312，它能同時控制獨立兩個伺服電機或步進電機的運動控制芯片。以脈沖串的形式輸出，能對伺服電機和步進電機進行位置控制、插補驅(qū)動、速度控制等。
獨立二軸驅(qū)動
一個芯片可分別控制2個電機驅(qū)動軸的運動。每個軸都可以進行定速驅(qū)動，直線加／減速驅(qū)動，S曲線驅(qū)動等，2軸的性質(zhì)相同；輸出驅(qū)動脈沖的范圍為1PPS～4MPPS，使用16MHz時鐘時，輸出脈沖頻率精度小于±0.1％。
定量驅(qū)動和連續(xù)驅(qū)動
定量驅(qū)動是指以固定速度或加／減速度輸出制定數(shù)量的脈沖，用以移動到確定位置或進行確定的動作，連續(xù)驅(qū)動連續(xù)輸出驅(qū)動脈沖直至高位的停止命令或外部的停止信號有效，用以原點搜尋、掃描操作、及電機旋轉(zhuǎn)速度控制。
插補驅(qū)動
可進行相對于當(dāng)前位置范圍－8388607～±8388607內(nèi)的2軸直線插補及圓弧插補，插補精度為±0．5LSB，速度范圍為1PPS～4MPPS，并可以連續(xù)地運用2軸直線及圓弧插補在每個插補節(jié)點不停的驅(qū)動，其最大速度可達2MHz。
位置控制
每軸都有兩個32位位置計數(shù)器，一個是芯片內(nèi)部管理驅(qū)動脈沖輸出的邏輯位置計數(shù)器，另一個是管理從外部編碼器來的脈沖的實際位置計數(shù)器，并可通過內(nèi)部寄存器的設(shè)定，使得當(dāng)位置計數(shù)器同比較寄存器的大小關(guān)系有變化時，產(chǎn)生中斷。
實時監(jiān)控
在驅(qū)動過程中，可以通過實時讀取片內(nèi)部寄存器得到邏輯位置、實際位置、驅(qū)動速度、加速度以及加／減速狀態(tài)(加速中，定速中，減速中)等信息。
其他功能
MCX312還具有許多其他重要功能：由外部信號控制進行定量驅(qū)動、連續(xù)驅(qū)動；硬件限制；緊急停止；驅(qū)動狀態(tài)輸出；脈沖輸出方式選擇；輸入信號濾波等。
系統(tǒng)設(shè)計
在硬件系統(tǒng)中，PCI9052作為連接CPU與運動控制芯片的橋梁，完成了從PCI總線到ISA總線的過渡。CPU通過編程對運動控制芯片進行控制，以實現(xiàn)對兩軸運動的控制。
該設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示，PCI9052與PCI總線相連，AD[31：0]、CBE[3：0]、PAR、TRDYN、IDSEL、STOPN、PERRN、SERRN、CLK、RSTO、INTAO、LOCKN等是必須實現(xiàn)的信號，EESK、EEDO、EEDI、DDCS與串行EEPROM 相連；CPU以16位數(shù)據(jù)對MCX312進行控制，使其向外發(fā)出X及Y方向脈沖信號，以控制兩個方向軸上的運動。數(shù)控系統(tǒng)通過位置傳感器返回其包括nLMTP、nLMTM、nlNPOS、nALARM等系統(tǒng)位置信息，進而實現(xiàn)左右方向限位，伺服到位及報警等功能。編碼器輸入信號引起MCX312的實際位置計數(shù)器的變化，可以得到兩軸相對于原點的實際移動位置。通用輸入輸出擴展了系統(tǒng)功能，在應(yīng)用中可根據(jù)實際情況用作不同的用途。
在電路設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾點：
(1)根據(jù)PCI協(xié)議規(guī)定，PCI總線的CLK信號線的長度為2500mil，其他信號線的長度以1500mil以內(nèi)為宜；
(2)因系統(tǒng)中多為開關(guān)量輸入輸出，在實際工作中，應(yīng)盡量避免外界信號的干擾，為達到這個目的，在系統(tǒng)中采用光電耦合器件，其輸入端配置發(fā)光器件，輸出端為受光器，開關(guān)量輸入接入電路中，會被擋在光電耦合器以外，從而將干擾隔離；
(3)數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴重的干擾。為了抑止這種干擾，在芯片的電源和地之間連接高頻特性好的0.1μF左右的去耦電容；
(4)總線信號PRSNT1#的PRSNT2#中必須有一個接地，它們表明板卡的存在并提供該板對電源要求的有關(guān)信息。
函數(shù)庫及驅(qū)動設(shè)計
運動控制卡給用戶提供了一個軟硬件的使用平臺，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇使用自己需要的功能，而對于功能實現(xiàn)，函數(shù)庫的編制是必須的。函數(shù)庫用于運動控制系統(tǒng)的二次開發(fā)，編程人員可以使用高級語言，通過對庫函數(shù)的調(diào)用，來實現(xiàn)對運動控制系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)的庫函數(shù)包括5類。
(1)基本參數(shù)設(shè)置，包括卡的初始化與釋放、脈沖輸出方式、軟硬件限位設(shè)
定、脈沖輸出方式及編碼器輸入的工作方式、加／減速方式設(shè)定及輸入信號濾波功能設(shè)置等；
(2)運動參數(shù)的設(shè)定與讀取，包括范圍設(shè)定、加／減速度的設(shè)定與讀取、驅(qū)動速度的設(shè)定與讀取、初始速度的設(shè)定與讀取、邏輯／實際位置計數(shù)器的設(shè)定與讀取、COMP+／COMP-寄存器的設(shè)定等；
(3)驅(qū)動狀態(tài)檢查，包括獲取各軸的驅(qū)動狀態(tài)及插補驅(qū)動狀態(tài)；
(4)脈沖驅(qū)動輸出及設(shè)定，包括兩軸直線插補、順時針／逆時針圓弧插補、定量驅(qū)動、連續(xù)驅(qū)動及驅(qū)動的減速停止與立即停止；
(5)開關(guān)量輸入輸出，包括所有開關(guān)量的輸入輸出及單個輸入輸出的控制。
開發(fā)Windows下的應(yīng)用程序應(yīng)考慮系統(tǒng)的限制，Windows系統(tǒng)為保護系統(tǒng)對用戶的訪問權(quán)限進行了劃分，用戶所處的級別由系統(tǒng)對硬件資源進行了屏蔽，用戶不能直接訪問硬件資源。為了達到與硬件通信的目的，必須編寫驅(qū)動程序。
用于Windows驅(qū)動開發(fā)的工具包括Windriver，Driver Studio以及DDK(Driver Develop Kit)。Wind river使用簡單，不需要專門的關(guān)于系統(tǒng)驅(qū)動的知識，開發(fā)時間短，但效率低，且不易；DDK效率及可靠性高，但使用煩瑣，開發(fā)周期長；Driver Studio包括Driver Works，Soft ICE，Dirver Agent等工具，具有開發(fā)調(diào)試的強大功能，把DDK用類的形式進行了封裝，使用簡單。本文就是利用DriveStudio進行驅(qū)動開發(fā)的。
Driver Works提供了Driver Wizard向?qū)В盟梢陨沈?qū)動程序的框架，其中最為關(guān)鍵的一步添加相應(yīng)的I／O端口、內(nèi)存資源、DMA、中斷等相應(yīng)得硬件資源，并在相應(yīng)的處理程序中添加代碼。
結(jié)論
本系統(tǒng)采用PCI總線接口及MCX312運動控制芯片，支持即插即用，可用于多種操作系統(tǒng)，具有輸出脈沖頻率高、控制準確、易向多軸擴展等特點，可廣泛應(yīng)用于機器人、基于PC的數(shù)控系統(tǒng)中。
參考文獻
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