運動控制系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷從直流到交流，從開環(huán)到閉環(huán)，從模擬到數(shù)字，直到基于PC的伺服控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制的發(fā)展過程。從運動控制器件的發(fā)展看，大致經(jīng)歷下列六個階段：
① 模擬電路
早期運動控制系統(tǒng)一般采用運算放大器等分立元件，以模擬電路硬件連線方式構(gòu)成。這類控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度較高、有較大帶寬等優(yōu)點。但與數(shù)字系統(tǒng)比較，存在老化和環(huán)境溫度的變化對構(gòu)成系統(tǒng)的元器件參數(shù)影響很大；元器件較多，系統(tǒng)復(fù)雜，使系統(tǒng)可靠性下降；采用硬接線，修改困難；受系統(tǒng)規(guī)模限制，難以實現(xiàn)高精度、大運算量的復(fù)雜控制算法等缺點。
② 微處理器
微處理器集成了CPU、RAM、ROM等，具有運算速度快、功率消耗低、集成度高、抗擾性強等優(yōu)點。但總體集成度仍較低，不具備運動控制所需的控制算法，處理速度和能力有限等缺點。
③ 通用計算機
它采用高級編程語言和相應(yīng)的控制軟件，配合計算機通信接口和驅(qū)動電動機的電路板，可獨立組成運動控制系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)高性能、高精度的復(fù)雜控制算法，程序修改方便。但受到通用計算機的限制，其實時性較差，體積大，難于在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。
④ 專用運動控制芯片
專用的運動控制芯片將實現(xiàn)運動控制所需的各種邏輯功能和運動控制功能集成在一塊專用集成電路板內(nèi)，提供了一些專用控制指令，并具有一些輔助功能，使用戶軟件設(shè)計工作量減小到最小程度。但由于軟件算法固化，所以復(fù)雜控制算法實現(xiàn)困難，程序擴展性和靈活性較差。
⑤ 數(shù)字信號處理器
數(shù)字信號處理器(DSP：Digital Signal Processer)是集成極強數(shù)字信號處理能力和電動機控制系統(tǒng)所必需輸入、輸出、模數(shù)變換、事件捕捉等外圍設(shè)備的能力的專用芯片。是一個實時處理信號的微處理器。具有體積小、功耗低、運算速度快等特點。近年推出的超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)、超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)和DSP/MCU混合處理器是DSP結(jié)構(gòu)發(fā)展的新潮流。
⑥可編程控制器
早期可編程控制器以邏輯運算為主，不具有運動控制算法。近年來，PLCopen組織頒布了運動控制規(guī)范，將運動控制、邏輯控制和安全結(jié)合在一個平臺，實現(xiàn)運動控制。表1是運動控制系統(tǒng)發(fā)展歷史。
表1 運動控制系統(tǒng)發(fā)展歷史
階段 分類 主要技術(shù)特征
早期 模擬 步進控制器+步進電機+電液脈沖馬達
20世紀(jì)70年代 直流模擬 基于微處理器技術(shù)的控制器+大慣量直流電機
20世紀(jì)80年代 交流模擬 基于微處理器技術(shù)的控制器+模擬式交流伺服系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代 數(shù)字化初級 數(shù)字/模擬/脈沖混合控制，通用計算機控制器+脈沖控制式數(shù)字交流伺服系統(tǒng)
21世紀(jì)至今 全數(shù)字化 基于PC的控制器+網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通信+數(shù)字伺服系統(tǒng)
我國運動控制技術(shù)的發(fā)展相對落后。上世紀(jì)80年代開始采用通用運動控制器產(chǎn)品。應(yīng)用規(guī)模小，應(yīng)用范圍窄。此外，運動控制器的運動速度較慢，精度也不高。隨著對外開放政策的落實，一些國外運動控制產(chǎn)品進入國內(nèi)，一些外商和合資企業(yè)建立，促進了運動控制技術(shù)的發(fā)展。
2、運動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
運動控制技術(shù)是包含機械工程、電子工程、控制工程、計算機科學(xué)及傳感檢測技術(shù)的相互交叉和融合的綜合性技術(shù)。
①精密機械技術(shù)
機械技術(shù)是運動控制的技術(shù)基礎(chǔ)。在運動控制中，機械結(jié)構(gòu)更簡單，功能更強，一些新機構(gòu)、新原理、新材料和新工藝被應(yīng)用，能夠滿足對各種應(yīng)用的需要，既提高精度和剛度，又改善性能，例如，體積縮小，重量降低，性價比提高等。
② 傳感檢測技術(shù)
運動控制技術(shù)需要對位置、速度、加速度等檢測，組成反饋回路，實現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)，為此，對傳感檢測技術(shù)提出更高要求，例如，高精度檢測，快速檢測和苛刻環(huán)境條件檢測等。
③計算機與信息處理技術(shù)
運動控制中涉及大量運動信息，因此，除了這些信息的檢測傳送外，還涉及計算機與信息處理的大量工作。例如，信息的交互、運算、判斷、決策等。與過程控制中采用集散控制系統(tǒng)不同，它對信息處理時間要求更高，對信息實時性和交互要求更高。
④自動控制技術(shù)
在過程控制中，控制理論是基礎(chǔ)。同樣，在運動控制中，控制理論也是基礎(chǔ)。由于被控對象不同，并且大量伺服系統(tǒng)的電動機是非線性被控對象。因此，高精度位置控制、軌跡控制、同步控制等都需要控制理論用于指導(dǎo)。
⑤伺服驅(qū)動技術(shù)
伺服驅(qū)動技術(shù)是在控制器輸出指令下，控制驅(qū)動元件使其按照指令要求運動，因此，需要滿足運動過程動態(tài)響應(yīng)等性能指標(biāo)。由于不同的伺服驅(qū)動方式有不同的動態(tài)性能，因此，對DC伺服、AC伺服、步進等電動機和變頻技術(shù)等有更高要求。而伺服技術(shù)則從DC伺服轉(zhuǎn)向AC伺服。全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動技術(shù)、直線電機驅(qū)動技術(shù)等已經(jīng)顯現(xiàn)其優(yōu)勢。
⑥系統(tǒng)總體技術(shù)
運動控制技術(shù)是對整個運動系統(tǒng)的控制，因此，既要將運動控制系統(tǒng)分解為各自自治又相互交互的單元，又要在總體性能要求下兼顧各個個體性能。只有這樣，才能使設(shè)計的運動控制系統(tǒng)具有良好的性價比，滿足應(yīng)用要求。
3、智能制造市場對運動控制產(chǎn)品和系統(tǒng)的要求
智能制造市場對運動控制產(chǎn)品和系統(tǒng)的要求如下：
①性能更好
表現(xiàn)為：能效高，改善能效算法，驅(qū)動功耗低，編碼器分辨率高，運動控制通信總線速率高、抖動小等。
②更安全
推行國際機械安全標(biāo)準(zhǔn)(UL－ISO－IEC)，提供運動控制和安全控制一體化系統(tǒng)，采用高絕緣材料等。
③更智能
伺服驅(qū)動器智能算法，運動控制軟件平臺對不同行業(yè)和裝備的針對性更強，以低制造成本為前提向絕對型定位驅(qū)動反饋發(fā)展，優(yōu)化節(jié)能和降低能源損耗。
④更快速
提高伺服電機軸速，高電壓驅(qū)動要求采用高性能IGBT和FET器件才能滿足高轉(zhuǎn)速輸出，低諧波，提高器件反饋帶寬至400KHz以上。
⑤噪聲更小
采用新的電機設(shè)計降低震動和減少電機固有諧波，控制電機功率輸入的諧波，控制電機輸入電壓和電流的波形以降低諧波。
⑥運轉(zhuǎn)更平滑
利用DSP和FPGA的性能計算和存貯電壓電流波形，消除諧波和畸變，使運動速度和加速度更為平滑，高分辨的反饋信號和更好的運動控制總線性能也有利于運動平滑平穩(wěn)。
⑦體積更小
運動控制產(chǎn)品安裝的空間減小，使整體產(chǎn)品體積縮小。
⑧價格更便宜
中國制造的伺服系統(tǒng)比美國至少便宜20%，運動控制系統(tǒng)中軟件比硬件的比例更高意味著整體價格趨向于不斷下降；數(shù)字驅(qū)動比模擬驅(qū)動價格便宜，性能更強；隨著運動控制產(chǎn)品越來越廣泛的運用于各行各業(yè)，生產(chǎn)批量越來越大，它的成本可迅速下降；此外，隨著機械系統(tǒng)變得簡約，整體成本也顯著降低。
4、運動控制系統(tǒng)存在的問題
①長期以來，用戶能夠在很大范圍內(nèi)選擇實現(xiàn)運動控制的硬件。不過，每種硬件都要求獨自而無法兼容的開發(fā)軟件。即使所要求的功能完全相同，在更換另一種硬件時，也需要重新編寫軟件。這一困擾運動控制用戶的問題，其實質(zhì)就是如何實現(xiàn)運動控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)化。
②為適應(yīng)應(yīng)用需要，開發(fā)一體化的邏輯控制、運動控制、視覺控制開發(fā)平臺是高效、快速開發(fā)智能制造生產(chǎn)線和智能制造裝備的必然趨勢。傳統(tǒng)運動控制器雖然集成PLC功能，但PLC和運動控制是相對獨立的兩套軟件，常需要IO接口交換數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步等，造成成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，維護困難。
③ 運動控制的要求不同。例如，機器人和數(shù)控機床關(guān)注的是路徑規(guī)劃、運動參數(shù)的混成緩沖等。機器人主要是面時間的定位。數(shù)控機床主要解決型面和輪廓的加工，即關(guān)注加工刀具的運動路徑控制。而印刷機械、包裝機械等關(guān)注的是主軸和從軸之間的同步和工藝節(jié)拍。
④由于運動部件有一定的質(zhì)量，為保證它能準(zhǔn)確地停在目標(biāo)位置，需要按照原來已經(jīng)定義的減速值計算驅(qū)動器的速度，所計算的速度值用于生成一個優(yōu)化的位置參考值，在該位置開始減速，就能讓驅(qū)動器準(zhǔn)確停在目標(biāo)位置。
⑤CNC和機器人這些制造單元的開放架構(gòu)問題。MES、ERP、CAM等都要求制造設(shè)備層能提供基于IT技術(shù)的軟硬件接口。而智能制造技術(shù)的實現(xiàn)也要求CNC、機器人和其它制造單元和設(shè)備之間建立開放性的網(wǎng)絡(luò)和軟件接口。此外，傳統(tǒng)CNC采用G代碼編程，PLC采用IEC 61131-3編程語言編程。
⑥運動控制系統(tǒng)中為了保證返回原點的準(zhǔn)確，常常在靠近原點的某個位置設(shè)置一個位置開關(guān)強制減速。但在需要進行許多點定位時，就很難設(shè)置多個位置開關(guān)。計算優(yōu)化開始減速的位置，必須有基準(zhǔn)位置。
PLCopen組織開發(fā)運動控制規(guī)范的目的是解決上述存在的問題?；贗EC 61131-3的編程環(huán)境，將開發(fā)、設(shè)計、安裝和維護運動控制軟件和邏輯控制、安全控制和視覺控制等結(jié)合在一個操作平臺，能夠協(xié)調(diào)不同編程開發(fā)平臺，滿足運動控制、邏輯和安全控制視覺控制等應(yīng)用要求。
經(jīng)多年的應(yīng)用，PLCopen的運動控制規(guī)范已經(jīng)成為獨立于運動控制硬件的開發(fā)平臺，它具有良好的可復(fù)用性，大大降低開發(fā)、應(yīng)用和維護成本。它能夠與IEC 61131-3友好地結(jié)合在同一開發(fā)環(huán)境下協(xié)調(diào)工作，也能夠在安裝和維護等各階段滿足應(yīng)用的要求。該規(guī)范的第4部分規(guī)定了各種協(xié)調(diào)運動的功能塊，既集合機器人、CNC和通用運動控制的工程軟件平臺，也將硬件和軟件一體化，成為實際應(yīng)用運動控制規(guī)范的智能裝備。
5、運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
運動控制技術(shù)是推動工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)。其發(fā)展趨勢如下：
①智能化
智能控制已經(jīng)深入到運動控制系統(tǒng)的各個層次，智能化已經(jīng)成為一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢。智能化主要表現(xiàn)在下列方面：
◆具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)所有參數(shù)可通過人機界面由軟件設(shè)置，并保存在運動控制系統(tǒng)的伺服單元內(nèi)部，這些參數(shù)能夠方便地在運動過程中被修改和觀測。
◆具有參數(shù)自整定功能。閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，可通過自整定的控制算法實現(xiàn)，從而使控制系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，控制精度更高，動態(tài)響應(yīng)更快。
◆具有故障自診斷和分析功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)可自動提供有用的故障信息，例如，故障的類型、可能引起故障的原因、檢查方法和消除故障的步驟等。從而簡化維護和縮短調(diào)試和維護時間，降低成本。
◆具有預(yù)定義的行業(yè)應(yīng)用的宏功能，可通過簡單的行業(yè)專用宏命令實現(xiàn)復(fù)雜的功能。
②統(tǒng)一的操作平臺
為了在不同應(yīng)用中使用，軟件平臺的統(tǒng)一是極其重要的。為此，PLCopen組織專家，制定和完善了運動控制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。一些制造商也根據(jù)該規(guī)范開發(fā)了相應(yīng)的操作平臺。在該平臺環(huán)境，可運行編程程序，對不同被控對象，例如，CNC、數(shù)控機床、數(shù)據(jù)加工中心、各種類型的機器人進行編程。也可通過該平臺，實現(xiàn)人機交互，完成對伺服控制系統(tǒng)的控制。這些操作平臺將邏輯運算、運動控制和安全集成在一起，方便了用戶的應(yīng)用。PLC技術(shù)、機器人技術(shù)和CNC技術(shù)正在呈現(xiàn)融合發(fā)展的趨勢。
③數(shù)字化
采用新型高速微處理器和專用信號處理器DSP代替原來的模擬電子器件，實現(xiàn)全數(shù)字化的伺服控制。將原來用硬件實現(xiàn)的伺服控制變成以軟件實現(xiàn)的伺服控制，使控制性能得到改善，更便于控制功能的實現(xiàn)。例如，采用NURBS樣條函數(shù)、多階多項式的插補技術(shù)，采用前饋控制算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。觀測器和各種辨識技術(shù)被應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)中，極大地改善了控制系統(tǒng)的控制性能，為復(fù)雜的多層網(wǎng)絡(luò)控制提供了基礎(chǔ)。數(shù)字化主要表現(xiàn)如下：
◆精確定位控制的同時，還可滿足速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的要求。
◆通過工業(yè)以太網(wǎng)可方便實現(xiàn)多軸同步控制。
◆啟動力矩大，加減速控制功能強，可方便地實現(xiàn)快速運動。
◆便于用軟件來實現(xiàn)各類機械裝置運動過程中負(fù)載控制的要求。
◆節(jié)能潛力大。
◆數(shù)字化使硬件接線降低的同時也降低了故障的發(fā)生率。離線調(diào)試和離線編程不僅縮短工期而且有利于操作人員的培訓(xùn)。
④交流化
從目前市場分析看，新的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)呈現(xiàn)全AC伺服控制的情況，說明越來越多的制造商已經(jīng)看到交流伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)點。變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展已使交流伺服電機成為主流產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為：
◆提供很寬的轉(zhuǎn)矩范圍的專用伺服電機。例如，峰值轉(zhuǎn)矩范圍從95mNm到1650Nm。
◆提供緊湊尺寸的直接驅(qū)動的專用伺服電機。例如，專門為食品行業(yè)提供專用的不銹鋼電機，為液體和高潔凈度應(yīng)用的伺服電機等。
◆提供集成驅(qū)動器的專用伺服電機。例如，安裝在電機上的模塊化的高度集成的伺服電機，它將電機殼體作為散熱片，縮小體積。
◆提供簡化安裝的直接驅(qū)動的伺服電機。例如，采用全新的DDR直接驅(qū)動技術(shù)的，結(jié)合無機架直接驅(qū)動電機的性能優(yōu)點和完整機架的電機安裝便利性生產(chǎn)的伺服電機。
⑤模塊化和網(wǎng)絡(luò)化
模塊化是網(wǎng)絡(luò)化的前提。為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，將不同制造商的產(chǎn)品集成在同一平臺，各產(chǎn)品必須模塊化，它們有標(biāo)準(zhǔn)的接口用于互聯(lián)和互操作。網(wǎng)絡(luò)化是指利用通信技術(shù)和計算機技術(shù)將不同地點的計算機和各類電子終端設(shè)備互連，按一定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互通信，達到用戶資源(硬件、軟件和數(shù)據(jù))共享的目的。目前的運動控制系統(tǒng)產(chǎn)品都具有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口和現(xiàn)場總線接口，可實現(xiàn)與其他控制設(shè)備的互聯(lián)，這也為整個車間或企業(yè)的生產(chǎn)管理提供了堅實基礎(chǔ)。
⑥功能專用化
根據(jù)特殊市場的需求，一些其他用途的專用運動控制系統(tǒng)也越來越多地被開發(fā)和應(yīng)用。例如，圖形伺服控制的專用運動控制器、力伺服的專用運動控制器、電機專用運動控制器等。為此，一些制造商根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)計出個性化的運動控制器。
6、運動控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
運動控制技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)迅速發(fā)展并獲得應(yīng)用。例如，在汽車、機床、儀表、各種機械工程、工業(yè)機器人和民用工業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。
①各種機械
數(shù)控機床，包括數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控銑床等數(shù)控設(shè)備、加工中心，包括各種數(shù)控機械加工等設(shè)備。
②機器人
各種類型的機器人。例如，焊接、裝配、搬運、噴涂、建筑等行業(yè)的機器人、機器臂，消防、醫(yī)療、搶險、輔助機器人等。此外，各種無人裝置，例如，無人機、無人駕駛汽車等。
③生產(chǎn)流水線
各種無人或少人的生產(chǎn)流水線。例如，面包生產(chǎn)線、紡織生產(chǎn)線、啤酒生產(chǎn)線等。包括各種物體、材料等輸送的生產(chǎn)流水線。
④測量測試
例如，坐標(biāo)檢測、齒輪檢測、進給檢測、定位檢測、電子線路板測試、超聲波掃描等。
⑤軍事航空航天
例如，自行火炮、坦克等武器的火控系統(tǒng)、車(船)載衛(wèi)星移動通信、飛機機載雷達、天線定位器、激光跟蹤裝置、天文望遠鏡、空間攝影控制等。
⑥醫(yī)療設(shè)備
例如，血壓分析、CAT掃描、DNA測試、測步、尿樣測試、醫(yī)療圖像聲納、人造心臟、人造肺等。
⑦紡織機械
例如，自動織帶機、地毯紡織機、被褥縫制機、繞線機、編織機等。
⑧半導(dǎo)體制造和測試
例如，晶體自動輸送、電路板連接器、IC插裝機、晶片探針器、拋光機、晶片切割機、清洗設(shè)備等。
總之，運動控制的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。包括各行各業(yè)，例如，半導(dǎo)體生產(chǎn)、包裝裝配、紡織編織、軍事航天、倉儲碼垛、塑料加工成型、食品加工、醫(yī)療等。
運動控制技術(shù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的各行各業(yè)、各領(lǐng)域發(fā)揮其作用，并產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益。它是控制理論在機械工程和電力工程的完美應(yīng)用，它將微電子技術(shù)、電子電力技術(shù)、計算機和信息技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、電機學(xué)等技術(shù)靈活結(jié)合，是一門綜合性的學(xué)科。
發(fā)展先進運動控制技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實意義。
目前我國五大工程實施效果初顯；重大標(biāo)志性項目取得階段性成效；開展試點示范，落地生根效應(yīng)凸顯；制定分地區(qū)指南，各地差異化發(fā)展格局加快形成；制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合效應(yīng)明顯；實施專項行動，質(zhì)量品牌建設(shè)取得初步成效，相信運動控制技術(shù)在不久將來將成為中國制造的重要手段和支柱。
本文摘自彭瑜、何衍慶老師的新書《運動控制系統(tǒng)軟件原理及其標(biāo)準(zhǔn)功能塊應(yīng)用》,《運動控制系統(tǒng)軟件原理及其標(biāo)準(zhǔn)功能塊應(yīng)用》針對智能制造對運動控制軟件功能的基本要求，全面論述其基礎(chǔ)技術(shù)和知識，重點講述PLCopen國際組織制定的運動控制軟件功能規(guī)范的概念、原理和功能塊。
